PT92258B - Processo de flutuacao para a modelacao fde corpos compositos com matriz de metal - Google Patents

Description

LANXIDE TECHNOLOGY COMPANY

PROCESSO DE FLUTUAÇÃO PARA A MODELAÇÃO DE CORPOS

COMPÓSITOS COM MATRIZ DE METAL

Campo da Invenção

A presente invenção refere-se a um novo processo para a formação de corpos compositos com matriz de metal. Em particular, modela-se uma massa permeável de material de enchimento formando um pré-molde. Pode colocar-se depois o material do pré-molde sobre a superfície de uma massa líquida de metal de matriz fundido ou no interior da mesma, na presença de um intensificador da infiltração e/ou um precursor do intensificador da infiltração e/ou uma atmosfera infiltrante, pelo menos em determinado instante duran te o processo, depois do que o metal da matriz fundido se in filtra espontaneamente no pré-molde. Durante a infiltração do metal da matriz no pré-molde, o pré-molde pode, pelo menos parcialmente, submergir-se na massa líquida de metal da matriz, indicando que assim se verificou a infiltração.

Fundamento da invenção

Os produtos compósitos que compreendem uma matriz de metal e uma fase de fortalecimento ou reforço, tal como, partículas, filamentos emaranhados, fibras ou similares, mostram-se muito prometedores para uma certa variedade de

_ 9 _ ι4-^;:-6 ν aplicações porque eles combinam um pouco da firmeza e da resistência ao desgaste da fase de reforço com a ductilidade e a tenacidade da matriz de metal. Em geral um compósito com matriz de metal apresentará uma melhoria em propriedades, tais como, a resistência, a firmeza, a resistência ao desgas te devido ao contacto e a retenção da resistência às tempera turas elevadas relativamente ao metal da matriz sob a forma monolítica, mas o grau em que qualquer propriedade dada pode ser melhorada depende grandemente dos constituintes específi cos, da sua percentagem em volume ou em peso e de maneira como eles são processados na modelação do compósito. Em alguns casos, o compósito pode também ser mais leve que o metal da matriz em si. Os compósitos com matriz de alumínio reforçados com cerâmicas, tais como, carboneto de silício,na forma de partículas, plaquetas ou filamentos emaranhados,por exemplo, têm interesse devido às suas maiores firmeza, resis tência 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 alum_í nio, 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 pás, o metal sob a forma de um pó e o material de reforço sob a forma de um pó, filamentos emaranhados, fibras cortadas etc.

são misturados e depois prensados a frio e sinterizados ou

prensados a quente. A percentagem máxima em volume, de cerâmica nos compósitos com matriz de alumínio reforçados com car boneto 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 partículas.

A produç3o de compósitos com matriz de metal pelas técnicas da metalurgia dos pós utilizando os proces sos convencionais impõe certas limitações relativamente às características dos produtos que podem obter-se. A percentagem em volume da fase cerâmica no compósito é limitada tipicamente, no caso dos materiais em partículas, a cerca de 40 por cento. Também, a operação de prensagem põè um limite às dimensões práticas que podem obter-se. Apenas formas do pre· duto relativamente simples são possíveis sem um processamento subsequente (por exemplo, modelação ou maquinagem) ou sem recorrer a prensas complexas. Também pode verificar-se a con centração não uniforme durante a sinterização bem como a não uniformidade da microestrutura, devido à segregação nos compactos e crescimento de grãos.

A Patente norte-americana No. 3 970 136, concedida em 20 de Julho de 1976, a J.C. 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 com pósito é feito colocando mantos ou feitros paralelos de fi4

fibras complanares num molde com um reservatório de metal da matriz por exemplo alumínio fundido entre pelo menos alguns dos mantos e aplicando pressão para forçar o metal fundido a penetrar nos mantos e envolver as fibras orientadas. 0 metal fundido pode ser vazado na pilha de mantos enquanto é forçado sob pressão a circular entre os mantos. Tem sido referidos cargas até cerca de 50 em volume, de fibras de re forço no compósito.

processo de infiltração atrás descrito tendo em vista a sua dependência da pressão externa para for çar o metal da matriz fundido através da pilha de mantos de fibras, está sujeito aos caprixos dos processos de fluência induzidos pela pressão, isto é, a possível não uniformidade da formação da matriz, porosidade, etc. A não uniformidade das propriedades é possível embora o metal fundido possa ser introduzido numa multiplicidade de locais no interior do agr£ gado fibroso. Consequenteniente, é necessário proporcionar agregados de raantos/reservatório e trajectos do fluxo compli^ cados para se obter a penetração adequada e uniforme da pilha de mantos de fibras. Também, o processo de infiltração sob pressão atrás referido apenas permite obter um reforço relatji vamente baixo da percentagem em volume da matriz, devido à djL ficuldade inerente à infiltração de um grande volume de mantos. Mais ainda são necessários moldes para manter o metal da matriz fundido sob pressão, o que aumenta o custo do processo. Finalmente, o processo atrás citado, limitado à infil^ tração de partículas ou fibras alinhadas, não se orienta para a formação de compósitos com matriz de alumina reforçados com materiais sob a forma de partículas, filamentos emaranhados ou fibras orientados aleatoriamente.

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

A Patente norte-americana No. 4 232 091 concedida a R. V. Grimshaw e outros, vence certas dificuldades técnicas encontradas na produção de compósitos com matriz de aiumina. Essa Patente descreve a aplicação de pressões de 75-375 kg/cm para forçar alumínio fundido (ou a liga de alu mínio fundida)num manto de fibras ou de filamentos emaranhados de aiumina que foi pré-aquecido a uma temperatura de 700 a 1050°C. A relação máxima entre os volumes de aiumina e de metal na peça moldada sólida resultante foi 0,25/l. Devido à sua dependência da força externa para realizar a infiltração, este processo está sujeito a muitas das mesmas deficiências que o de Cannell e outros.

A publicação do pedido de patente europeu

No. 115.7^2 de screve a fabricação de compósitos de alumina-alumínio, especialmente utilizáveis como componentes de pi lhas electrolíticas, pelo preenchimento rios vazios de uma matriz de alumina pré-moldada com alumínio fundido. 0 pedido de patente faz realçar a não molhabiliriade da alumina e, portanto, são usadas várias técnicas para molhar a alumi na em toda o pré-molde. Por exemplo, reveste-se a alumina com um agente molhante formado por um diboreto de titânio, de zircónio, de háfnio ou de nióbio ou com um metal, isto e, lítio, magnésio, cálcio, titânio, crómio, ferro, cobalto, níquel, zircónio ou háfnio. Utilizam-se atmosferas inertes, tais como 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 evacuando os poros aplican do depois pressão ao alumínio fundido numa atmosfera inerte, por exemplo de árgon. Em alternativa pode infiltrar-se o pré -molde por deposição de alumínio em fase de vapor, para molhar a superfície antes de preencher os vazios por infiltração com alumínio fundido. Para assegurar a retenção do alumínio nos poros do pré-molde, é necessário um tratamento térmico, por exemplo a l400 a l800°C, no vácuo ou em árgon. Caso contrário, quer a exposição do material infiltrado sob pressão aos gases, quer remoção da pressão de infiltração causará uma perda de alumínio do corpo.

uso de agentes molhantes para efectuar a infiltração de um componente de alumina de uma pilha electro lítica com metal fundido é também apresentado no pedido de pa'C tente europeu No. 9^353. Esta publicação descreve a produção de alumínio por extracção electrolítica com uma célula tendo um alimentador de corrente catódico que forma um revestimento ou substracto da célula. A fim de proteger este seu substrac to da criolite fundida aplica-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 enquan to mergulha no alumínio fundido produzido pelo processo electrolítico. Os agentes molhantes indicados são o titânio, o zircónio, o háfnio, o solício, o magnésio, o vanádio, o cro — mio, o nióbio ou o cálcio, sendo o titânio mencionado como agente preferido. Os compostos de boro, carbono e azoto são descritos como sendo utilizáveis para suprimir a solubilidade dos agentes molhantes no alumínio fundido. A referência,porém não sugere a produção de compostos com matriz de metal nem su gere a formação de um tal compósito numa atmosfera por exemplo de azoto.

Além da aplicação de pressão e agentes molhantes, foi indicado que um vácuo aplicado auxiliará a penetração de alumínio fundido num compacto cerâmico poroso.Por exemplo, a patente americana No. 3 718 44l, concedida em 27 de Fevereiro de 1973 a R.L. Landungham, relata a infiltração de um compacto cerâmico (por exemplo, carboneto de boro, alumina e óxido de berílio) com alumínio fundido, berílio, magnésio, titânio, vanádio, níquel ou crómio sob um vacuo de me—

2 6 nos de 10^— torr. Um vácuo de 10 a 10 torr teve como resultado um molhamento insuficiente da ceramica pelo metal fundido até o ponto de o metal não fluir livremente para o in terior dos espaços vazios de cerâmica. Contudo, referiu-se que o molhamento melhorou quando se reduziu o vácuo para menos de 10 & torr.

A patente americana No. 3.864.154, concedida em 4 de Fevereiro de 1975, a G.E. Gazza e outros, também mostra a utilização do vácuo para se obter a infiltração.Esta patente descreve o processo de carregar um compacto prensado a frio de pé de A1B₁₂. num leito de pó de alumínio prensado a frio. Colocou-se depois alumínio adicional no topo do pó de A1B^₂« Colocou-se o cadinho, carregado com compacto de AlB^^ ensanduichado entre as camadas de pó de alumínio, num forno no vácuo. 0 forno foi evacuado ate aproximadamente 10 torr, para permitir a saída dos gases. Elevou-se depois a temperatura até 1100°C e manteve—se durante um período de 3 horas. Nessas condições,o alumínio fundido penetrou no compacto de A1B^₂ poroso.

A patente americana No. 3.364.976, concedida em 23 de Janeiro de 1968, a John N. Reding e outros, apresenta o conceito de criação de um vácuo autogerado num corpo para in tensificar a penetração de um metal fundido no corpo. Espe cif i_ camente, descreve-se que um corpo, por exemplo, um molde de gra fite, um molde de aço ou um material refractário poroso é intei^ ramente submerso no metal fundido. No caso de um molde, a cavi dade do molde que é preenchida com um gás reactivo com o metal, comunica com o metal fundido situado exteriormente através de pelo menos um orifício no molde. Quando se mergulha o molde na massa em fusão, verifica-se o enchimento da cavidade à medida

que se produz o vácuo auto-gerado a partir da reacção entre o gás na cavidade e o metal fundido. Em particular, o vacuo é o resultado da formação de uma forma oxidada sólida do metal. Assim, Reding et al descrevem que é essencial induzir uma reacção entre o gás na cavidade e o metal fundido. Contudo,uti^ lizando 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 antes da sua utilização e em seguida desmontados após o seu uso para remover a peça fundida do mesmo seguin do-se depois a recuperação do molde, o que, mais provavelmente incluirá a rectificação das superfícies do molde ou o seu descarte se não já aceitável para ser utilizado. A maquinagem de um molde para obter uma forma complexa pode ser muito cara e demorada. Além disso, pode ser muito difícil a remoção de uma peça moldada de um molde de forma complexa (isto é, as pe^ ças moldadas com uma forma complexa podem partir—se quando se retiram do molde). Mais ainda, embora haja um sugestão de que um material refractário poroso pode ser imerso directamente num metal fundido sem a necessidade de um molde, o material refractário teria que ser uma peça inteira porque não se tomam providências para infiltrar um material poroso separado ou sol to, sem o uso de um molde contentor (isto é, crê-se geralmente que tipicamente o material em partículas se desintregaria ou separaria por flutuação, quando colocado num metal fundido). Mais ainda, se se desejasse infiltrar um material em partícu10 las ou um pré-molde formado solto, seria necessário tomar pre cauções para que o metal infiltrante não desloque pelo menos porções do material em partículas ou do pré-molde, dando ori gem a uma microestrutura não homogénea.

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 utilização de pressão ou vácuo aplicado (quer aplicado externa mente, quer criado internamente), ou agentes molhantes prejudi^ ciais para criar uma matriz de metal embebida noutro material, tal como um material cerâmico. Além disso, tem havido uma necessidade há muito sentida de minimizar a quantidade de operações finais de maquinagem necessárias para produzir um corpo compósito com matriz de metal. A presente invenção satisfaz essas necessidades proporcionando um mecanismo de infiltração espontânea para infiltrar um material (por exemplo, um material cerâmico), que pode ser moldado com a forma de um pré-mo_l de, 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 inten sificador de infiltração pelo menos em certo instante durante o processo.

Descrição dos pedidos de patente americanos do mesmo proprietário assunto do presente pedido de patente está relacionado com o de diversos outros pedidos de patente copenden tes do mesmo proprietário. Em particular, estes outros pedidos

V_____,.-° /' Λ, de patente copendentes descrevem processos novos para a fabri^ cação de materiais compósitos com matriz de metal (daqui em diante, por vezes designados por Pedidos de patente de matrizes metálicas do mesmo proprietário).

Um processo novo para a fabricação de um ma terial compósito com matriz de metal é apresentado no pedido de patente americano do mesmo proprietário, No. 049.171» dept> sitado.em 13 de Maio de 1987» em nome de White et al e intitu lado 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 014 um material revestido com cerâmica) com alumí^ nio fundido contendo pelo menos cerca de 1 por cento, era peso de magnésio e de preferência pelo menos cerca de 3 por cento, em peso de magnésio. A infiltração ocorre espontaneamente sem aplicação de pressão ou vácuo exteriores. Um suprimento de liga de metal fundido é posto em contacto com a massa de material de enchimento a uma temperatura de pelo menos cerca de 675°C, na presença de um gás compreendendo de cerca de 10 a 100 por cento e, de preferência, cerca de 50 por cento de azoto, em volume, sendo o restante do gás, se houver, um gás não oxidante, por exemplo, árgon. Nestas condições, a liga de alumínio fundido infiltra-se na massa cerâmica às pressões atmosféricas normais para formar um compósito com matriz de alumínio (ou liga de alumínio). Quando se tiver infiltrado a quantidade desejada de material de enchimento com a liga de alumínio fundida baixa—se a temperatura para solidificar a

liga, formando assim uma 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 enchimen to. 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 respei to, podem atingir-se relações volumétricas entre o material de enchimento e a liga maiores que 1:1.

f.

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, dependendo de factores como a temperatura, a composição da liga, a composição do gás e do material de enchimento. Assim, controlando um ou mais desses factores no sistema é possível determinar de antemão certas propriedades do compósi to. Para algumas aplicações de utilização final, pode no entanto ser desejável que o compósito contenha pouco ou substan cialmente nenhum nitreto de alumínio.

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

Um exemplo de dispositivo de barreira ade-

quado para ser utilizado com a formação de compósitos com ma triz de metal é descrito no pedido de patente americano copendente e do mesmo proprietário No. l4l 642, depositado em 7 de Janeiro de 1988, em nome de Michael K. Aghajanian et al, e intitulado Method of Making Metal Matrix Composite with the use of a Barrier. De acordo com o processo da invenção de Aghajanian et al, coloca-se um dispositivo de barreira (por exemplo, diboreto de titânio em partículas ou um materi al de grafite, tal como produto de fita de grafite flexível vendida pela Union Carbide com a designação comercial Grafoil ) num limite de superfície definido do material de en chimento, e a liga da matriz infiltra-se até ao limite definido pela 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. Consequenternen te, os corpos compósitos com matriz de metal formados tem uma forma exterior que corresponde substancialmente a forma interior do meio de barreira.

processo do pedido de patente americano No. 049 171 foi aperfeiçoado pelo pedido de patente americano copendente e do mesmo proprietário No. 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 Techni— ques for Making the Same. De acordo com os processos apresentados nesse pedido de patente americano, uma liga de metal damatriz está presente como uma primeira fonte de metal e como um reservatório de liga de metal da matriz que comunica com a

primeira fonte de metal fundido devido por exemplo, ao fluxo por gravidade. Em particular, nas condições descritas nesse pedido de patente, a primeira fonte de liga de matriz fundida começa a infiltrar a massa de material de 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 contínuo a partir do reservatório de metal da matriz fundida à medida que a infiltra, ção 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 re forço. Deve compreender-se que a utilização de um reservatório de metal é simplesmente uma forma de realização da inven ção 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, algumas das quais podem também ser convenientes para utilizar em combinação com a presente invenção.

reservatório de metal pode estar presente numa quantidade tal que proporciona uma quantidade suficiente de metal para infiltrar a massa permeável de material de enchimento numa extensão pré-determinada. Em alternativa, um meio de barreira optativo pode concentrar a massa permeável de material de enchimento pelo menos de um dos seus lados

para definir um limite de superfície.

Alem disso, embora o suprimento de liga da matriz fundida fornecida possa ser pelo menos suficiente para permitir à infiltração espontânea,se processar substancialmente até os 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 excesso e ser fixado ao corpo compósito com matriz de metal. Assim, quando estiver presen te liga fundida em excesso, o corpo resultante será um corpo compósito complexo (por exemplo, um macrocompésito), no qual um corpo cerâmico infiltrado, com uma matriz de metal estará ligado directamente ao metal em excesso que fica no reservatório .

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

Sumário da invenção

Um corpo compósito com matriz de metal é produzido pela infiltração de uma massa permeável de material de enchimento, que foi modelada para formar um pré-molde. Es16 pecificamente funde-se um metal da matriz que é mantido no interior de um vaso não reactivo apropriado para alojiar metal da matriz (por exemplo, um recipiente refractàrio) formando uma massa líquida de metal da matriz fundido. Numa primeira forma de realização preferida, o pré-molde é colocado numa su perfície da massa líquida de metal da matriz, na presença de uma atmosfera infiltrante. Além disso, um precursor de inten sificador da infiltração e/ou um intensificador da infiltração e/ou uma atmosfera infiltrante estão também em comunicação com o pré-molde, pelo menos em determinado instante duran te o processo, o que permite que o metal da matriz fundido se infiltre espontaneamente no pré-molde, quando o pré-molde é colocado no interior do metal da matriz fundido. 0 pré-molde pode flutuar numa superfície de metal da matriz fundido ou noutro ponto no interior do metal da matriz fundido, devido à sua flutuabilidade natural em relação ao metal da matriz fundido. Além disso, o pré-molde pode ser fixado amovivelmen te a um meio flutuante que ajude o pré-molde a flutuar. Numa outra forma de realização, o pré-molde pode ser posto em contacto com metal da matriz, antes de o metal da matriz se fundir; por exemplo, o pré-molde pode ser embebido em partícilas ou pedaços de metal da matriz sólido, podendo depois o metal da matriz fundir.

Durante a infiltração espontânea do pré-molde, o pré-molde, quer esteja ou não fixado num meio flutu ante, pode começar a submergir-se, pelo menos parcialmente,na massa líquida de metal da matriz fundido, indicando assim que se verificou a infiltração. É além disso possível que o pré—

-molde possa ter flutuação negativa no metal da matriz fundido antes da infiltração espontânea, podendo essa flutuação ser de pois alterada. Consequentemente, o pré-molde possa ter flutuação negativa no metal da matriz fundida antes da infiltração espontânea, podendo essa flutuação ser depois alterada. Consequentemente, o pré-molde pode subir, descer ou manter a sua posição no interior da massa líquida de metal da matriz fundi, do, indicando assim que se verificou a infiltração.

Faz-se notar que o presente pedido de pa. tente discute primariamente os metais da matriz de alumínio que, em determinado instante durante a formação do corpo compósito com matriz de metal, são postos em contacto com magnésio, que funciona como precursor do intensificador da infiltração, na presença de azoto, que funciona como atmosfera infiltrante. Assim, o sistema do metal da matriz precursor do intensificador/atmosfera infiltrante de alumínio/magnésio/azo to apresenta infiltração espontânea. Contudo, outros sistemas de metal da matriz/precursor do intensificador da infiltração/atmosfera infiltrante podem também comportar-se de maneira idêntica à do sistema de alumínio/magnésio/azoto. Por exemplo, observou—se um comportamente de infiltração espontânea idêntico no sistema de alumínio/estrôncio/azoto, no siste ma de alumínio/zinco/oxigénio e no sistema de alumínio/cálcio/ /azoto. Consequentemente, embora aqui se discuta primariamen te o sistema de alumínio/magnésio/azoto, deve compreender-se que outros sistemas de metal da matriz precursor do intensifi cador da infiltração/atmosfera infiltrante podem comportar-se

de maneira idêntica.

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

Quando o metal da matriz compreender uma liga de alumínio, a liga de alumínio é posta em contacto com um pré-molde que compreende um material de enchimento (por exemplo, alumina ou carboneto de silício) tendo o material de enchimento com ele misturado, magnésio ou tendo estado em determinado instante durante o processo exposto ao magnésio. Além disso, numa forma de realização preferida, a liga de alu mínio e/ou o pré-molde e/ou o material de enchimento estão contidos numa atmosfera de azoto durante pelo menos uma porção do processo. 0 pré-molde será infiltrado espontaneamente pelo metal da matriz, variando a extensão ou a velocidade da infiltração espontânea e a formação da matriz de metal com um dado conjunto de condições do processo, que incluem, por exem pio, a concentração de magnésio proporcionada ao sistema (por exemplo, na liga de alumínio e/ou no pré-molde e/ou na atmosfera infiltrante), as dimensões e/ou a composição das partículas no pré-molde, a concentração de azoto na atmosfera infiltrante, o tempo permitido para a infiltração e/ou a temperatura a que se verifica a infiltração. A infiltração espon- 19

tânea tipicamente ocorre até um grau suficiente para embeber de maneira substancialmente completa o pré-molde.

Além disso ainda, uma vez que verificada a infiltração de maneira substancialmente completa, verifica—se em alguns casos que o pré-molde se submerge, pelo me nos parcialmente, na fonte de liga de metal da matriz. Numa forma de realização preferida, na qual o pré-molde inicialmente flutua pelo menos parcialmente numa superfície de liga da matriz de metal, o pré-molde submerge-se de maneira substancialmente completa até um ponto que fica aproximadamente na superfície da liga de metal da matriz, ou abaixo da mesma, indicando assim que a infiltração se completou substancialmente .

Definições:

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

Gás restante não oxidante, como aqui é usado, significa que qualquer gás presente, além do gás principal que constitui a atmosfera infiltrante, é ou um gás iner20

/, te ou gas redutor substancialmente não reactivo com o metal da matriz nas condições do processo. Qualquer gás oxidante que possa estar presente como impureza no(s) gás(es) usado(s) deve ser insuficiente para oxidar o metal da matriz em qualquer grau substancial nas condições do processo.

Barreira ou meios de barreira, como aqui é usado significa qualquer meio adequado que inter fere, inibe, impede ou interrompe a migração, o movimento ou similar, de metal da matriz fundido para além de um limiite de superfície de uma massa permeável do material de enchimen to ou do 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 e, o material de barreira não se volatiza até um ponto tal que se. torne não funcional como barreira.

Além disso, os meios de barreira apr£ priados incluem materiais que são substancialmente não molhá. veis 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 bar reira reduz qualquer maquinagem ou rectificação finais que possam ser necessárias e define pelo menos uma porção de su21

perfície do produto compósito, com matriz de metal resultan te. A barreira pode, em certos casos, ser permeável ou po rosa, ou tornada 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 cor po original de metal da matriz restante, que não foi consumi do durante a formação do corpo compósito com matriz de metal e, tipicamente, se se deixar arrefecer, fica em contacto pelo menos parcial com o corpo compósito com matriz de metal que foi formado. Deve entender-se que a carcaça pode também incluir em si um segundo metal estranho.

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, micro esferas, filamentos emaranhados, pérolas, etc. e podem ser densos ou porosos.

Material de enchimento pode também inc luir materiais de enchimento cerâmicos, tais como, a alumina ou carboneto de silício sob a forma de fibras, fibras cortadas, materiais em partículas, filamentos emaranhados, péro22 c

las, esferas, mantos de fibras ou similares, e materiais de enchimento revestidos de cerâmica, tais como fibras de carbo no revestidas com alumina ou carboneto de silício para prote^ ger o carbono do ataque, por exemplo, por um metal original de alumínio fundido. Os materiais de enchimento também podem incluir metais.

Atmosfera infiltrante, como aqui é usa do, significa a atmosfera que está presente, que interage com metal da matriz e/ou o pré-molde (ou o material de enchimento) e/ou o precursor de intensificador de infiltração e/ou o intensificador de infiltração e permite ou intensifica a ocorrência da infiltração espontânea do metal da matriz ocorra.

Intensificador de infiltração, como aqui é usado, significa um material que promove ou auxilia a infiltração espontânea do metal da matriz num material de enchimento ou pré-molde. Um intensificador de infiltração pode ser formado, por exemplo a partir de uma reacção de um precur ι sor de intensificador de infiltração com uma atmosfera infiltrante para formar (l) uma espécie gasosa e/ou (2) um produto da reacção do precursor de intensificador de infiltração com a atmosfera infiltrante e/ou (3) um produto da reacção do precursor de intensificador de infiltração com o material de enchimento ou pré-molde. Além disso, o intensificador de infiltração pode ser fornecido directamente ao pré-molde e/ /ou à atmosfera infiltrante e funciona de uma maneira substancialmente análoga à de um intensificador de infiltração que foi formado como uma reacção entre o percursor de inten23

sificador de infiltração e outras espécies. Finalmente,pelo menos durante a infiltração espontânea, o intensificador de infiltração deve estar localisado em pelo menos uma porção do material de enchimento ou pré-molde para obter a infiltra^ ção 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, forma um intensificador de infiltração que inclui ou auxilia o metal da matriz a infiltrar-se espon taneamente no material de enchimento ou pré-molde. Sem desejar ficar limitado por qualquer teoria ou explicação particular, parece contudo, que pode ser necessário que o precursor do intensificador de infiltração possa ser posiciona do, localizado ou transportável para um local que permite que o precursor de intensificador de infiltração interaja com a atmosfera infiltrante e/ou o pré-molde ou material de enchimento e/ou metal da matriz. Por exemplo, em certos sis temas de metal da matriz/precursor de intensificador de infiltração/atmosfera infiltrante é desejável que o precursor de intensificador de infiltração se volatilize na vizinhança da ou, em alguns casos, um pouco acima da temperatura a que o metal da matriz se funde. Essa volatilizaçâo pode le var 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 en

chimento ou o pré-molde pelo metal da matriz; e/ou (2) uma reacção do precursor de intensificador de infiltração com a atmosfera infiltrante para formar um intensificador de infiltração sólido, líquido ou gasoso, em pelo menos uma porção do material de enchimento ou do pré-molde o que intensi fica o molhamento; e/ou (3) uma porção do precursor de intensificador de infiltração no interior do material de en chimento ou do pré-molde que forma um intensificador de infiltração sólido, líquido ou gasos em pelo menos uma porção do material de enchimento ou do pré-molde, o que intensifica o molhamento.

Metal da matriz’¹ ou liga de metal da matriz, como aqui é usado, significa o metal que é utilizado para formar um compósito com matriz de metal (porexémple, antes da infiltração) e/ou o material que é misturado com um material de enchimento para formar um corpo compósito com 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 com 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 e o constituinte principal ou predominante.

Sistema de metal da matriz/precursor de intensificador/atmosfera infiltrante” ou Sistema espontâneo . como aqui é usado, refere-se à combinação de materiais

- 25 L· Λ que apresenta infiltração espontânea num pré-molde ou material de enchimento. Deve entender-se que quando aparecer um / entre um metal da matriz exemplificativo, um precursor de intensificador de infiltração e uma atmosfera infiltrante / é utilizado para designar um sistema ou combinação de ma teriais que, quando combinados de uma maneira particular, apresentam a infiltração espontânea num pré-molde ou material de enchimento.

Compósito com matriz de metal ou ¹¹NNC como aqui é usado, significa um material que compreende uma liga ou matriz de metal interligada bi— ou tridimensionalmen te, que embebeu um pré-molde ou material de enchimento. 0 me tal da matriz pode incluir vários elementos de liga para pro porcionar propriedades mecânicas e físicas especificamente desejadas no compósito resultante.

Um metal diferente do metal da matriz significa um metal que não contém, como constituinte principal, o metal igual ao da matriz (por exemplo, se o constituin te 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 metal da matriz fundido nas condições do processo e que não reage com a matriz e/ou a atmosfera infiltrante e/ou precursor do intensificador da infiltração dé uma maneira

que seria significativamente prejudicial ao mecanismo de infiltração .

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

Reservatório, como aqui é usado, significa um corpo separado de metal da matriz posicionado em relação a uma massa de material de enchimento ou pré-molde, de modo que, quando o metal estiver fundido, pode fluir para r<í abastecer, 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 com o pré-molde.

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

Breve descrição das figuras:

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

a figura 1, um corte transversal de um mol^ de reutilizável, para a fabricação de um pré-molde para utili^ zar de acordo com a presente invenção;

a figura 2, um pré-molde para utilizar de acordo com a presente invenção;

a figura 3 sa líquida de metal da matriz Ção ;

o pré-molde flutuando numa mas de acordo com a presente inven de do a figura metal flutuando na massa

4, um corpo compósito com matriz líquida de metal da matriz fundia figura 5, um molde consumível e um pré-molde, de acordo com uma outra forma de realização da presente invenção;

ν a figura 6, moldes consumíveis envolvidos por lingotes de metal da matriz num vaso não reactivo para alojar metal da matriz, de acordo com o exemplo 1;

a figura 7, uma vista em corte transversal esquemática do conjunto e do aparelho para infiltrar espontaneamente um corpo por infiltração no metal da matriz fundido, de acordo com o exemplo 2;

a figura 8, uma vista em corte transversal esquemática do conjunto e do aparelho para infiltrar espontaneamente um corpo por flutuação em metal da matriz fundido, de acordo com o exemplo 3.

Descrição pormenorizada da invenção e formas de realização preferidas

A presente invenção refere-se à formação cie um corpo compósito com matriz de metal colocando um pre-molde que flutua adjacente a uma superfície de uma massa l_í quida de metal da matriz fundido ou sobre a mesma ou algures no interior da massa líquida de metal da matriz fundido e in filtrando espontaneamente o pré-molde com o metal da matriz fundido numa extensão desejada. Para efectuar a infiltração espontânea do metal da matriz no pré-molde, pode proporcionar-se um intensificador da infiltração ao sistema espontâneo. Um intensificador da infiltração pode ser formado a partir de um precursor do intensificador da infiltração que poderia ser proporcionado (l) no metal da matriz e/ou (2) no pré-molde e/ou (3) a partir da atmosfera infiltrante e/ou (4) a partir de uma fonte externa para o interior do sistema espontâneo. Além disso, em vez de fornecer um precursor de intensificador da infiltração, pode fornecer-se directamente um intensificador da infiltração pelo menos ao pré-molde e/ou ao metal da matriz e/ou à atmosfera infiltran te. Finalmente, pelo menos durante a infiltração espontânea o intensificador da infiltração deve estar localizado pelo menos numa porção do material de enchimento ou do pré-molde.

.Ί

Segundo a presente invenção, um pré-mol. de pode ser formado moldando de maneira adequada uma massa de um material de enchimento no interior de um molde, como se mostra na figura 1. Por exemplo, o material de enchimen to pode compreenderuuraa mistura de um material cerâmico,tal como carboneto de silício (ou outro material de enchimento adequado, como se discute com mais pormenor mais adiante).

material de enchimento pode ser compactado numa cavidade (l) num molde (2) numa quantidade consistente com as propri^ edades desejadas para o corpo compósito com matriz de metal acabado. 0 material de enchimento é então de preferência convertido num pré-molde (por exemplo um corpo tornado rijo que mantém a integridade de forma e a resistência em verde nas condições do processo).

pré-molde pode conter um precursor do intensificador de infiltração, tal como magnésio, que pode ser convertido num intensificador da infiltração durante o processamento. Em alternativa, pode formar-se um intensifj.

cador da infiltração no pré-molde antes da imersão do metal da matriz fundido. Por exemplo, o magnésio como precursor do intensificador da infiltração pode ser convertido em nitreto de magnésio como intensificador da infiltração na presença de azoto para formar um pré-molde contendo intensifica dor da infiltração. Como outra alternativa ainda, o pré-mol^ de pode não conter qualquer intensificador da infiltração, caso em que tem de fornecer-se um intensificador da infiltra^ ção ou formar-se algures o mesmo no sistema espontâneo.

pré-molde (3) pode então ser retirado do molde (2), como se ilustra na figura 2, permitindo, assim, a reutilização do molde (2), que pode ser feito de qualquer material adequado, tal como gesso de Paris ou borracha silicónica, que proporciona fidelidade de forma para o material de enchimento. Os moldes divididos convencionais, os moldes de peças múltiplas, moldes de coquilhas de revesti mento para fundição de precisão pelo processo de cera perdida e similares são adequados para este fim. Em alternativa, o pré-molde (3) pode ficar num molde feito, por exemplo, de folha de metal que pode ser consumida durante as fases de processamento subsequentes. Em qualquer caso, o pré-molde (3) deve ser manuseado adequadamente para impedir a degrada,âo do intensificador da infiltração mantendo o pré-raolde numa atmosfera infiltrante ou inerte e impedir outros danos físicos antes de se completar a formação do corpo compósito com matriz de metal.

Como se mostra na figura 3, o pré-molde

(3) pode depois ser colocado em contacto com uma massa líqui^ da (4) de metal da matriz fundido, que é retida num recipien te refractário adequado (5). A infiltração espontânea do pré-molde pelo metal da matriz em pelo menos uma porção do pré-molde (3) produz um corpo compósito com matriz de metal (6) na porção do pré-molde (4) que foi infiltrada. 0 pré-molde (3) pode ser introduzido na massa líquida (4) de metal da matriz fundido colocando simplesmente o pré-molde (3) na superfície da massa líquida (4) de metal fundido. Em alternativa, pode colocar-se o pré-molde (3) num cadinho apropriado ou noutro recipiente não reactivo para alojar o rtietal da matriz envolvido por uma quantidade de lingotes de metal da matriz e aquecer-se até fundir o metal da matriz em torno do pré-molde. A introdução do pré-molde numa massa líquida existente de metal da matriz pode proporcionar uma produção mais rápida de compósitos com matriz de metal acabados, porque não é necessário qualquer tempo para fundir o metal da matriz. Pode no entanto ser desejável o pré-aquecimento dos pré-moldes para evitar o choque térmico e a fractura ou a de gradação resultante do pré-molde.

Compreender—se—à que, para um pré-molde que compreende inicialmente um material cerâmico e precursor do intensificador da infiltração, pelo menos algum do precur sor do intensificador da infiltração possa ser convertido em intensificador da infiltração. Essa conversão pode ser realj. zada quando o pré-molde e os lingotes de metal da matriz forem aquecidos, por exemplo pela exposição do pré-molde a uma atmosfera infiltrante durante o aquecimento.

Numa forma de realização preferida,é pos sível que o precursor do intensificador da infiltração possa reagir pelo menos parcialmente com a atmosfera infiltrante, de modo que possa formar-se intensificador da infiltração pelo menos numa porção do pré-molde antes ou substancialmente simultaneamente com o contacto do pré-molde com o metal da ma triz fundido (por exemplo, se fosse o magnésio o precursor do intensificador da infiltração e o azoto a atmosfera infiltran te, o intensificador da infiltração poderia ser o nitreto de magnésio, que seria colocado pelo menos numa porção do pré-molde). Em alternativa, pode fazer-se borbulhar uma atmosfera infiltrante (por exemplo gás azoto no sistema de alumínio/magnésio/azoto) no interior do metal da matriz fundido para contactar com o pré-molde e reagir com o precursor do intensificador da infiltração depois da imersão no banho de metal da matriz. Além disso, pode expor-se o pré-molde a atmosfera infiltrante quando ele flutua na superfície do metal da matriz fundido, convertendo assim o precursor do intensificador da infiltração em intensificador de infiltração.

Um exemplo de um sistema de metal da matriz/precursor do intensificador/atmosfera infiltrante é o sistema de alumínio/magnésio/azoto. Especificamente, um metal da matriz de alumínio pode estar contido no interior de um vaso refractário adequado que, nas condições do processo, não reaja com o metal da matriz de alumínio, quando o alumí^ nio funde. Pode então pôr-se um pré-molde em contacto com o metal da matriz de alumínio fundido. 0 pré-molde pode flu33

tuar adjacente a uma superfície do metal de matriz fundido ou sobre a mesma, ou algures no interior do metal da matriz fundido, ou mesmo submergir-se até ao fundo do metal da matriz fundido, devido à sua flutuabilidade natural em relação ao me tal da matriz fundido. Além disso, o pré-molde pode ser fixa do amovivelmente num meio de flutuação que auxilia ou provoca a flutuação do pré-molde. 0 meio de flutuação pode compreender qualquer material adequado que seja não reactivo com o sistema espontâneo e seja suficientemente flutuante, positiva ou negativamente, no metal da matriz fundido para contrabalançar na medida necessária qualquer flutuabilidade negativa ou positiva de um pré-molde ou corpo compósito com matriz de metal. Além disso ainda, o pré-molde pode ser posto em contacto com o metal da matriz antes de o metal da matriz fundir ou pode embeber-se o pré-molde em partículas ou pedaços de mje tal da matriz sólido. Depois, o metal da matriz seria aqueci do para fundir.

Durante a infiltração do pré-molde, o pré-molde, quer esteja fixado num meio de flutuação, quer não pode começar a submergir-se pelo menos parcialmente na massa líquida de metal da matriz fundido, indicando assim que se ve rificou a infiltração, como se mostra na figura 4. Compreender-se-á que essa submersão se verificará de acordo com a variação da flutuabilidade do pré-molde à medida que progride o grau de infiltração do metal da matriz no pré-molde. Assim, conforme a flutuabilidade relativa do corpo, antes e depois da infiltração, o corpo pode subir, submergir-se ou alterar a sua posição no interior do banho de metal da matriz fundido depois de se completar a infiltração.

Nas condições usadas no processo segundo a presente invenção, no caso de um sistema de infiltração espontânea de alumínio/magnésio/azoto, o pré-molde pode ser suficientemente permeável para permitir que o gás contendo azoto penetre ou atravesse os poros do pré-molde e contacte com o metal da matriz fundido. Além disso o pré-molde perme ável pode adaptar-se à infiltração do metal da matriz fundido, fazendo assim com que o pré-molde cujos poros foram atra vessados pelo azoto seja infiltrado espontaneamente com metal da matriz fundido para formar um corpo compósito com matriz de metal. A extensão da infiltração espontânea e da formação do compósito com matriz de metal variara com um dado conjunto de condições do processo, indicando o teor de magnésio da liga de metal da matriz de alumínio e/ou do pré-molde, a quantidade de nitreto de magnésio no pré-molde e/ou no metal da matriz de alumínio, a presença de componentes de liga adicionais (por exemplo, silício, ferro, cobre, manganês, crómio, zinco e similares), as dimensões médias (por exemplo, o diâmetro das partículas) do material de enchimento que constitui o pré-molde, a condição da superfície e o tipo do material de enchimento, a concentração de azoto na atmosfera infiltrante, o tempo permitido para a infiltração e a temperatura a que se verifica a infiltração.

Por exemplo, para que a infiltração do metal da matriz de alumínio fundido se verifique espontânea35 mente, o metal da matriz de alumínio pode formar liga com pelo menos cerca de 3 por cento em peso, de magnésio (que funciona como precursor do intensificador da infiltração), com base no peso da liga. Podem também incluir-se componen tes de liga auxiliares, como atrás se discutiu, no metal da matriz para pré-determinar as suas propriedades específicas. Adicionalmente, os componentes de liga auxiliares podem afec tar a quantidade mínima de magnésio necessária do metal da matriz de alumínio para provocar a infiltração espontânea do material de enchimento ou do pré-molde. A inclusão de magné sio e/ou nitreto de magnésio suficientes no metal da matriz de alumínio torna desnecessária a necessidade de fornecer separado de magnésio ou nitreto de magnésio ao pré-molde ou à atmosfera infiltrante.

Deve evitar—se a perda de magnésio do sistema espontâneo devida, por exemplo, à volatilização, até o ponto de ficar algum magnésio para formar o intensificador da infiltração. Assim, é desejável utilizar uma quantidade suficiente de componentes de liga iniciais no metal da matriz para assegurar que a infiltração espontânea não será afectada adversamente pela volatilização. Além disso, a presença de magnésio no pre-molde e no metal da matriz ou apenas no pré-molde pode ter como consequência uma redução da quantidade necessária de magnésio para obter a infiltração espontânea(discutida mais adiante com mais pormenor).

A percentagem em volume de azoto na a_t mosfera 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 reduzida. Verificou-se que é preferível que estejam presentes pelo menos cerca de 50 por cento, em volume, de azoto na atmosfera, de modo que resultam pot .exem pio, menores tempos de infiltração devido a uma velocidade de infiltração muito maior. A atmosfera infiltrante (por exemplo, um gás contendo azoto) pode ser fornecida directamente ao material de enchimento ou pré-molde e/ou ao metal da matriz, ou pode ser produzida por ou resultar de uma decom posição de um material.

teor mínimo de magnésio requerido para que o metal da matriz fundido se infiltre num material de enchimento ou pré-molde depende de uma ou mais variáveis tais como a temperatura de processamento, o tempo, a presença de elementos de liga auxiliares, tais como silício ou zinco, a natureza do material de enchimento ou do pré-molde, a localização de magnésio em um ou mais dos componentes do sistema es pontâneo e o teor de azoto da atmosfera. Podem usar-se temperaturas mais baixas ou tempos de aquecimento menores para se obter uma infiltração completa quando se aumentar o teor de magnésio do metal da matriz e/ou do pré-molde. Também para um dado teor de magnésio, a adição de certos elementos de liga auxiliares, tais como o zinco, permite o uso de temperaturas mais baixas. Por exemplo, um teor de magnésio no me tal da matriz no extremo inferior da faixa operável, por exemplo, de cerca de 1 a 3 por cento, em peso pode ser usado em conjunto com pelo menos uma das seguintes condições: uma temperatura de processamento acima da mínima, uma elevada concentração de azoto, um ou mais elementos de liga. Se não se adicionar nenhum magnésio ao pré-molde, são preferidas as ligas de metal da matriz contendo de cerca de 3 a 5 P®.

so 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 alumí nio para moderar as condições de temperatura requeridas para a infiltração.

teor de magnésio pode ser reduzido quando usado era conjunto com um elemento de liga auxiliar, mas esses elementos apenas desempenham uma função auxiliar j e são usados juntamente com pelo menos a quantidade mínima de magnésio atrás especificada. Por exemplo, não havia subs tancialmente qualquer infiltração de alumínio nominalmente puro formando liga com apenas 10 por cento de silício a 1000°C num leito de 39 Crystolon (carboneto de sílicio puro a 99%» da Norton Co.), com granulometria de 500 mesh. Mas na presença de magnésio, verificou-se que o silício promove o pro^ cesso de infiltração. Como outro exemplo, a quantidade de magnésio varia se ele for fornecido exclusivamente ao pré-molde ou material de enchimento.

/

Verificou-se que a infiltração espontânea ocorrerá com uma percentagem, em peso, menor de magnésio fornecido ao sistema espontâneo, quando pelo menos uma parte da quantidade total de magnésio fornecido for colocada no pré-molde ou material de enchimento. Pode ser desejável pre) porcionar uma quantidade 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 um metal da matriz de alumínio, contendo o pré-molde pelo menos cerca de 1 %, em peso, de magné sio 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 para se obter infiltração espontânea aceitável é ligeiramente maior. Especificamente, verificou—se que, quando um pré-molde de alumina é posto em contacto com um metal da matriz de alumínio similar aproximadamente à mesma temperatura que a alumina que se 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.

Faz-se também notar que é possível fornecer ao sistema espontâneo precursor de intensificador de infiltração numa superfície de liga e/ou numa superfície do pré-molde ou material de enchimento e/ou no interior do pré39

-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,sim plesmente que se forneça um ou outro, ou ambos, ao sistema e^ pontâneo). Se se tiver aplicado o magénio a uma superfície de metal da matriz, pode ser preferido que a referida superfície seja a superfície que está mais perto ou, de preferên cia, em contacto com a massa permeável de material de enchimento ou vice-versa, ou que esse magnésio deve ser misturado a pelo menos uma porção do pré-molde ou material de enchimen to. Além disso, é ainda possível que se utilize uma certa combinação da aplicação na superfície da formação da liga e da colocação do magnésio em pelo menos uma porção do pré-moJL de. Essa combinação da aplicação de intensificador(es) de in filtração 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 infil. tração do metal de alumínio da matriz no pré-molde, bem como a obtenção de temperaturas mais baixas a que se verifique a infiltração. Além disso, poderia também minizar-se a quanti. dade de compostos intermetálicos indesejáveis formados devido à presença de magnésio.

uso de um ou mais elementos de liga auxiliares e da concentração de azoto no gás circundante tam bém afecta a extensão de nitretação do metal da matriz a uma

dada temperatura. Por exemplo, podem liga auxiliares, tais como o zinco ou liga, ou colocados numa superfície de temperatura de infiltração e diminuir formaçao de nitreto, ao passo que podi concentraç3o de azoto para promover a

usar-se	elemento s	de
0 ferro	incluído s	na
liga, para baixar	a
assim a	quantidade	da
usar-se	0 aumento	da

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 extenção de infiltraçSo a uma dada temperatura. Consequentemente em alguns casos, em que pouco ou nenhum magnésio é posto di— rectamente em contacto com o pré-molde ou material de enchimento, pode ser preferido incluir na liga de metal da matriz pelo menos cerca de 3 Ί° em peso de magnésio. Teores de liga inferiores a essa quantidade, tais como 1 por cento, em peso de magnésio, podem requerer temperaturas do processo mais elevadas ou um elemento de liga auxiliar para a infiltraçSo. A temperatura necessária para efectuar o processo de infiltração espontânea segundo a presente invençSo pode ser mais baixa: (l) quando se aumentar apenas o teor de magnésio de liga, por exemplo para pelo menos cerca de 5 por cento, em peso; e/ou (2) quando se misturarem componentes de liga com a massa permeável do material de enchimento ou pré—molde ; e/ou (3) 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 infiltraçSo espontânea progressiva a

- 4l uma temperatura do processo de pelo menos cerca de 675°θ e, de preferência, a uma temperatura do processo de pelo menos cerca de 75O°C-8OO°C. Temperaturas geralmente acima de 1200°C parece não benificiarem o processo, tendo-se verifica do ser particularmente útil uma gama de temperaturas de cerca de 675°C a cerca de 1200°C. Contudo, como regra geral, a temperatura de infiltração espontânea é uma temperatura supe rior ao ponto de fusão do metal da matriz, mas abaixo da tem peratura de volatilização do metal da matriz. Além disso a tem peratura de infiltração espontânea deve ser inferior ao ponto de fusão do material de enchimento. Além disso, ainda à medida que se aumenta a temperatura, aumenta a tendência para formar um produto de reacção entre o metal da matriz e a atmosfera infiltrante (por exemplo, no caso do metal da matriz de alumínio a 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 matriz de metal. Adicionalmen te, utiliza-se tipicamente o aquecimento por resistência eléctrica para obter as temperaturas de infiltração. Contudo, qualquer meio de aquecimento que possa fazer com que o metal da matriz funda e não afecte adversamente a infiltração espontânea é aceitável para utilizar na presente invenção .

No presente processo, por exemplo, pode colocar-se um pré-molde permeável incluindo um precursor do intensificador da infiltração e/ou um intensificador da in42 filtração, em contacto com o metal da matriz fundido (por exemplo alumínio), na presença de uma atmosfera infiltrante (por exemplo, um gás contendo azoto), mantida durante to^ do o tempo necessário para se ober a infiltração. Isso con segue-se mantendo um fluxo contínuo de gás em contacto com o pré-molde e o metal da matriz de alumínio fundido. Embora o caudal de gás contendo azoto não seja crítica, é preferido que esse caudal seja sufuciente para compensar qualquer perda de azoto da atmosfera devido à formação de nitreto na matriz de liga, e também para impedir ou inibir a incursão de ar, que pode ter uma acção oxidante no metal fundido, e/ou a infiltração de intensificador e/ou de precursor do intensificador da infiltração.

presente processo para a modelação de um compósito com matriz de metal é aplicável a uma ampla variedade de materiais de enchimento, dependendo a escolha do material de enchimento de factores tais como a liga da matriz, as condições do processo, a reactividade da liga de metal da matriz fundida com o material de enchimento e as propriedades pretendidas para o produto compósito com matriz de metal 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 dodecarboreto de alumínio e (d) nitretos, por exemplo nitreto de alumínio. Se houver uma tendência para o material de enchimen to reagir com o metal da matriz de alumínio fundido, isso

poderia ser compensado minimizando o tempo de infiltração e a temperatura ou proporcionando um revestimento não reactivo no material de enchimento. 0 material de enchimento pode com preender um substrato tal como carbono ou outro material não cerâmico, levando um revestimento cerâmico para proteger o substrato do ataque ou da degradação. Os revestimento cerâmicos adequados incluem óxidos, carbonetos, boretos e nitretos. As cerâmicas preferidas para utilizar no presente processo incluem a alumina e o carboneto de silício sob a forma de partículas, plaquetas, filamentos emaranhados e fibras. As fibras podem ser descontínuas (sob a forma cortada) ou sob a forma de filamentos contínuos, tais como estopas de multifilamentos. Além disso, a massa cerâmica 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 enchimento tendo uma composição química semelhante. Por exemplo, corpos de alumina triturada feitos pelo processo descrito na patente americana No. 4 713 36O,in titulada Novel Ceramic Materials and Methods of Making Some 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 comercialmente disponíveis. Além disso, os corpos de alumina triturada feitos pelo processo descrito no pedido de patente copendente, do mesmo proprietário No. 8l₉ 397, intitulado Composite Cera mic Articles and Methods of Making Same em nome de Mack S.

- 44 Newkirk et al., também apresentam propriedades de infiltração desejáveis em relação aos produtos de alumina comercialmente disponíveis. Os objectos do pedido de patente publica do e do pedido de patente copendente âão aqui expressamente incorporados por referência. Especificamente, descobriu-se que a infiltração completa de uma massa permeável de materi al cerâmico pode ocorrer a temperaturas de infiltração mais baixas e/ou em tempos de infiltração menores utilizando um corpo triturado ou reduzido a partículas produzido pelo pro cesso do pedido de patente e da patente americanos atrás men cionados.

As dimensões e a forma do material de enchimento podem ser quaisquer necessárias para obter as pro priedades desejadas no compósito. Assim, o material pode e^ tar sob a forma de partículas, filamentos emaranhados, plaquetas ou fibras, visto que a infiltração não é limitada pela forma do material de enchimento. Outras fôrmas, tais como esferas, túbulos, paletes tecido de fibras refractárias e similares podem ser usadas. Além disso, as dimensões do material não limitam a infiltração, embora possam ser necessários uma temperatura mais alta ou um período de tempo maior para a infiltração completa de uma massa de partículas mais pequenas do que para partículas maiores. Além disso, é suficiente que a massa de material de enchimento, quando modelada formando um pré-molde, seja permeável, isto é, permeá vel pelo menos ao metal da matriz fundido e possivelmente à atmosfera infiltrante

processo de formação de compósitos com matriz de metal segundo a presente invenção, por não ser dependente do uso de pressão para forçar ou comprimir metal da matriz fundido para o interior de um pré-molde ou de uma massa de material de enchimento, permite a produção de compjó sitos com matriz de metal substancialmente uniforme com uma elevada percentagem, em volume, de material de enchimento e uma baixa porosidade. Podem conseguir-se maiores percentagens, em volume de material de enchimento utilizando uma mas sa 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 es trutura completamente densa, que impediria a infiltração pela liga fundida. Preferem-se percentagens, em volume, de material de enchimento da ordem de 40 a 5θ por cento, para a ter momodelaçâo segundo a presente invenção. Para tais percentagens em volume, o composto infiltrado mantém ou mantém substancialmente 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 par tículas 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

- 46 alumínio e a formação de uma matriz em torno de um material de enchimento cerâmico, o molhamento do material de enchimen to cerâmico pelo metal da matriz de alumínio pode ser uma parte importante do mecanismo de infiltração. Além disso, a temperaturas de processamento baixas, verifica-se uma nitretação desprezável ou mínima do metal resultando daí uma fase descontínua mínima de nitreto de alumínio disperso na matriz de metal. Contudo, quando nos aproximamos do expremo superi^ or da faixa de temperatura, torna-se mais provável a nitretei ção 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 formação de nitreto de alumínio a uma dada temperatura aumenta quando diminuí a capacidade da liga para molhar o material de enchimento cerâmico e quando aumen ta a concentração de azoto da atmosfera.

É pois possível pré-determinar a consti tuição da matriz de metal durante a formação do compósito com matriz de metal para conferir certas características ao produto resultante. Para um dado sistema podem escolher-se as condições do processo para controlar a formação de nitre to. Um produto compósito contendo uma fase de nitreto de '47 -

alumínio apresentará certas propriedades que podem ser favoráveis para melhorar a eficácia do produto. Além disso, a gama de temperaturas para a infiltração espontânea com uma liga de alumínio pode variar com o material cerâmico usado.

No caso de alumina como material de enchimento, a temperatura para a infiltração nâo 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 pode usar-se, temperaturas superiores a 1000°C se se desejar produzir um compósito com uma matriz menos dúctil e mais rígida. Para infiltrar carboneto de silício, podem usar-se temperaturas mais elevadas, de cerca de 1200°C visto a liga de alumínio se nitrificar em menor grau, relativamente ao uso de alumina como material de enchimento, quando se usar o carboneto de silício como material de enchimento.

Além disso, é possível usar um reservatório de metal da matriz para assegurar a infiltração compl£ ta do material de enchimento e/ou fornecer um segundo metal que tem uma composição diferente da da primeira fonte de metal da matriz. Especificamente em alguns casos pode ser desejável utilizar um metal da matriz no reservatório com uma composição diferente da da primeira fonte de metal da matriz. Por exemplo, se se usar uma liga de alumínio como primeira fonte de metal da matriz, pode então usar-se substancialmente qualquer outro metal ou liga de metal que fundiu à temperatura de processamento como metal de reservatório.

De acordo com a presente invenção, um • % pré-molde sujeito à infiltração espontânea, isto é, um pré-molde que é parcialmente infiltrado por um primeiro metal da matriz, poderia ser induzido, por uma corrente de gás ou outro mecanismo, a flutuar numa área do reservatório que com preende um segundo metal da matriz. Além disso, os metais fundidos frequentemente sâo muito miscíveis um com o outro, donde resultará a mistura do metal do reservatório com a pri^ meira fonte de metal da matriz, desde que seja dado tempo apropriado para que se verifique a mistura. Assim, utilizaii do 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 prja priedades do compósito com matriz de metal.

Deve compreender-se que pode utilizar-se também um meio de barreira com combinação com a presente invenção. Especificamente, o meio de barreira a utilizar com a presente invenção pode ser qualquer meio adequado que interfira, iniba, impeça ou interrompa a migração, o movimen to ou similar, da liga de matriz fundida (por exemplo, uma liga de alumínio) para além do limite de superfície definido do material de enchimento, ou do pré-molde. Os meios de barreira apropriados podem ser quaisquer material, composto, elemento, composição ou similar que, nas condições do proces so 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, interroper, in49 terferir com, impedir ou similar, a infiltração contínua ou qualquer outra espécie de movimento para além do limite de superfície definido do material de enchimento cerâmico. Os meios de barreira podem ser usados durante a infiltração espontânea ou em quaisquer moldes ou outros acessórios utiliz<i dos em ligação com a termomoldação do compósito com matriz de metal infiltrado espontaneamente, como se descreverá com mais pormenor mais abiaxo.

Os meios de barreira apropriados incluem materiais, tais como grafite e alumina, que são substancialmente não molháveis pela liga de metal da matriz fundida infij^ tante 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 para além do limite de superfície definido do material de enchimen to ou pré-molde por meio da barreira. A barreira reduz qualquer maquinagem ou rectificação finais que possam ser necessários ao produto compósito com matriz de metal e pode proporcionar integridade estrutural adicional ao pré-molde e ao compósito com matriz de metal. Além disso, o meio de barrei ra pode ser modelado adequadamente para permitir pegar no com pósito e retirá-lo da massa líquida de metal da matriz. Como atrás se mencionou a barreira deve de preferência ser permeável ou porosa, ou tornada permeável por meio de futos, para permitir que a atmosfera infiltrante contacte com a liga de metal da matriz fundida e com o pré-molde contendo um precursor do intensificador da infiltração.

Barreiras adeuadas particularmente uti. lizáveis para as ligas da matriz de alumínio são as que con têm carbono, especialmente a forma alotrópica cristalina de carbono conhecida como grafite. A grafite é essencialmente não molhável pela liga de alumínio fundida, nas condições do processo descritas. Uma grafite particularmente preferida é um prpduto de fita de grafite que é vendido sob a marca comercial Grafoil , registada pela Union Carbide. Estaa fjL te de grafite apresenta características de vedação que impedem a migração de liga de alumínio fundido para além do limi^ te de superfície defindio do material de enchimento. Esta fita de grafite é também resistente ao calor e quimicamente inerte. O material de grafite Grafoil é flexível, corapa tível, moldável e elástico. Pode ser feito em várias formas para se adaptar a qualquer aplicação da barreira. Contudo, o meio de barreira de grafite pode ser empregado como uma pasta ou suspensão ou mesmo como uma película de tinta em torno de e no limite do material de enchimento ou pré-molde. Grafoil é particularmente preferido porque se encontra na forma de uma folha de grafite flexível. Em uso, essa grafite semelhante a papel é simplesmente modelada em torno do material de enchimento ou pré-molde.

Outro ou outros meios de barreira para ligas da matriz de metal de alumínio em azoto são os boretos de um metal de transição (por exemplo, diboreto de titânio (TiB₂)), que são em geral não molháveis pela liga de metal de alumínio fundido em certas condições do processo emprega- '51 das usando esse material. Com uma barreira deste tipo, a temperatura do processo não deve exceder cerca de 875°C, pois, de outro modo, o material de barreira torna-se menos eficaz, verificando-se de facto com o aumento da tmperatura a infiltração na barreira. Os boretos de um metal de transição estão tipicamente disponíveis numa forma de partículas (l-30 micrómetros). Os materiais de barreira podem ser aplicados como uma suspensão ou pasta nos limites da massa permeável de material de enchimento cerâmico que, de preferência é moldado como um pré-molde.

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

Além disso, materiais em partículas fi namente triturados, podem funcionais 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 apli^ cado por pintura, imersão, serigrafia, evaporação ou apljL

cando 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 barreira no limite de superfície definido. Com o meio de barreira no seu lugar, a infiltração espontânea termina substancialmente quando a infiltração do metal da matriz atingir o limite de superfície cefinido e entrar em contacto com o meio de barreira. Os meios de barreira podem assim ser usados em ligação com os pré-moldes segundo a presente invenção para controlar a infiltração de modo que se conseguem formas exactas ou quase exactas por infiltração do pré^ -molde em flutuação.

Nos Exemplos que se seguem imediatamen te estão incluídas várias demonstrações da presente invenção. Contudo, esses Exemplos devem ser considerados como sendo ilustrativos e não como limitativos do escopo da presente invenção, como é definido nas reivindicações anexas;

Exemplo 1

Preparou-se um material de enchimento misturando pó de carboneto de silício de 100 grit (39 Crystolon da Norton Co.), com cerca de 2,5 por cento, em peso, de pó de magnésio de 325 mesh (obtenível na Johnson Mathey Co.). Para se obter uma mistura uniforme, colocaram-se es tes pós num recipiente vedado e agitaram-se num moinho de •53 -

durante aproximadamente 12 horas. 0 moinho de bolas apenas proporcionou a mistura unifor me; não se pretendeu nem se obteve qualquer trituração ou deformação dos pós..

Fazendo referência à figura 5» corapac tou-se o material de enchimento manualmente tanto quanto possível num molde (2) constituído por um tubo de cohre que serviu para modelar o material de enchimento. As paredes do tubo de cobre (2) (obtenível na General Copper Co) tinham aproximadamente 0,8 milímetros de espessura e mo delou-se o tubo com a forma de sino com 3,8 centímetros de comprimento e 2,5 centímetros de largura na sua extremidade mais larga. Deixou-se a extremidade mais larga do tubo (2) descoberta, enquanto as extremidades mais estreitas f<3 ram fechadas com folhas de alumínio para impedir a saída do material de enchimento durante a compactação.

Colocaram-se depois dois desses moldes cheios (2 - l), (2 - 2) num vaso não reactivo (5) contenG do um certo número de lingotes (7) de uma liga de alumínio, como se ilustra na figura 6. 0 vaso (5) consistia numa cai xa soldada de aço inoxidável série 300, forrada com duas ca madas de folha de grafite (por exemplo Permafoil , obtenjÇ vel na T.T. America Co.) de cerca de 0,25 milímetros de espessura, para tornar o vaso reutilizável. A composição da liga era de cerca de 85 por cento, em peso de alumínio, 12 por cento, em peso de silício e 3 por cento era peso de magnésio, (Al-12Si-3Mg), e dispuseram-se lingotes (7) de modo que eles envolvam os tubos (2 - l) e (2 - 2) no vaso (5)·

Colocou-se um dos moldes (2 - l) perto do fundo do vaso, enquanto o outro molde (2 - 2) foi colocado perto do topo. Cobriu-se então o vaso (5) com folha de cobre (8) de 0,7 milím«5 tros de espessura (obtenível na Atlantic Equipment Engineering Co.) e colocou-se num forno aquecido com resistência eléctrica. Sujeitou-se depois o interior do vaso a uma purga de gás azoto com um caudal de cerca de 1,5 litros por minuto, introduzido através de um orifício na folha de cobre (8).

A temperatura do forno foi aumentada de^ de a temperatura ambiente até cerca de 75°C, durante um inter valo de tempo de 2 a 2,5 horas, tornando assim rígido o material de enchimento por forma a obter os pré—moldes, que terial mantido as duas formas mesmo sem moldes. Manteve-se o vaso e o seu conteúdo a cerca de 75Ο°θ durante aproximadamente 2,5 ho ras, tendo-se formado ao fim desse tempo, uma massa líquida de liga de alumínio no vaso, tendo os moldes de cobre que envolviam o material de enchimento rigidificado fundido e tendo-se dispersado no interior da liga de alumínio fundida e tendo-se a liga infiltrado espontaneamente no material de enchimento para formar corpos compósitos com matriz de metal. Deverá no tar-se que o material de enchimento manteve a sua forma mesmo depois do consumo dos moldes de cobre, provavelmente em consequência da formação de nitreto de magnésio no material de enchimento, à medida que a temperatura aumentava (ou possivelmente em consequência de uma acção de sinterização) e, depois em consequência da elevada proporção de material de enchimento no corpo compósito com matriz de metal.

-⁵⁵ /

No fim do período de 2,5 horas, os corpos compósitos com matriz de metal flutuavam de maneira neutra na massa líquida, 3 a 5 centímetros abaixo da superfície da massa líquida. 0 molde (2 - 2) que estava colocado perto do topo do vaso flutuou durante um certo rempo na superfície da massa líquida e depois submergiu-se gradualmente na massa líquida depois de o molde se dissolver na massa líquida e de a infiltração espontânea ter progredido. 0 molde (2 - l) que estava colocado no fundo do vaso, eventualmente dissolveu-se e infiltrou-se no pré-molde tornado rígido, subiu depois dentro da massa líquida até aproximadamente a mesma profundidade que o pré-molde (2 - 2) que tinha sido colocado perto do topo. Os compósitos com matriz de metal foram retirados suavemente da massa líquida de liga com uma espátula de aço inoxidável e deixaram-se arrefecer no ar ambiente do laboratório. Os corpos resultantes foram completamente infiltrados espontaneamen te e apresentavam boas características de forma precisa.

Exemplo 2

Moldou-se por sedimentação, usando técni^ cas normais, um pré-molde de silício de 500 gritt (39 Crystolon da Norton Co.) e cozeu-se previamente para obter a forma de meia cavilha de êmbolo. 0 pré-molde da meia cavilha de êm bolo, várias das quais são usadas em motores de combustão interna, era substancialmente tubular, com um diâmetro exterior de cerca de 4 milímetros, um diâmetro interior de cerca de 3 milímetros e um comprimento de aproximadamente 5 centímetros.

Fazendo referência à figura 7» introduziu-se o pré-molde (2 - 3) na superfície de uma massa líquida (4) constituída por uma mistura de uma liga de alumínio 3θ0.1 fundida (da Belmont Metals), ligeiramente modificada, com uma composição de cerca de 7,5-9,5 % de Si; 3,0-4,0 % de cu; 2,9 % de Zn; 6,0 % de Fe; 0,5 % de Ni; 0,35 % de Sn e cerca de 0,17-0,18 % de Mg, à qual se adicionaram mais 5 por cento, em peso de Mg a uma temperatura de cerca de 700°C.

A massa líquida (4) estava contida num recipiente não reactivo (5) constituído por uma lata de aço inoxidável série 300 forrada com um produto de fita de grafite grau GTB de 0,38/mm (0,015 ) de espessura, produzida pela Union Carbide e vendida com a marca Grafoil (da Union Carbide). Manteve-se o recipiente (5) ® portanto o pré-molde (2 - 3) e a massa líquida (4) numa atmosfera de azoto puro me diante a purga de uma cavidade (8) formada entre uma caixa (9) de aço inoxidável série 300 e a placa (lO). A atmosfera infiltrante de azoto foi introduzida na cavidade (8) através de um tubo (ll) de aço inoxidável inserido e fixado através de um furo adaptado ao tubo na caixa (9)· Introduziu-se uma junta vedante de cobre (13) entre a caixa (9) e a placa (lO) para manter a atmosfera de azoto no interior da cavidade (8). Além disso, distribuiu-se uma certa quantidade de aparas de titânio (13) na cavidade (8) para reagir com qualquer oxigénio ou outro material estranho que pudesse contaminar o intensificador da infiltração e/ou o precursor do metal da matriz e/ou o intensificador da infiltração no sistema de infiltração esponta

nea de alumínio magnésio/azoto.

Aqueceu-se o vaso da reacçao, constituído pelo recipiente (5)» a caixa (9) θ a placa (lO) num forno aquecido com resistência eléctrica, desde a temperatura ambiente até cerca de 700°C, durante um intervalo de tempo de cer ca de 5 horas, para fundir a liga do metal da matriz. Colocou-se depois o pré-molde (2 - 3) na superfície da massa líquida (4) de liga de alumínio fundido, enquanto se levantava brevemente a caixa (9)· Manteve-se depois a temperatura a cerca de 800°C durante um período de 25 horas, ao fim desse tempo levantou-se de novo a caixa e recuperou-se a cavilha de êmbolo que se tinha submergido na massa líquida, utilizando uma espátula de aço inoxidável. Deixou-se depois arrefecer a cavilha de êmbolo no ar ambiente do laboratório. A liga de alumínio tinha-se infiltrado de maneira completamente espontânea no pré-molde para formar um corpo compósito com matriz de metal, que mostrou uma boa fidelidade de forma.

Exemplo 3

Fazendo referência à figura 8, preparou-se um vaso de reacção colocando um recipiente (5) de aço inoxidável forrado com grafite (l4) de grão grosseiro (Myad SP. obtenível na NYCO, Inc.), num cadinho de alumina (15) com 99,7 % de pureza. Colocou-se um recipiente (l6) de aço inoxí^ dável da série 3θθ, incluindo tubo de purga (ll) de aço inoxidável, sobre o recipiente (5)· Formou-se uma massa líquida (4), compreendendo uma mistura de liga de alumínio fundida,

com a mesma composição que a liga de alumínio do exemplo 2 no recipiente (5).

A massa líquida (4) foi formada aquecendo o vaso de reacção e o cadinho num forno aquecido por resis tência eléctrica, enquanto se manteve uma passagem contínua de gás azoto puro no recipiente (l6) de aço inoxidável. Aqueceu-se o vaso desde a temperatura ambiente até cerca de 800°C durante um intervalo de tempo de cerca de 5 horas. Quando a massa lqiuida (4) de liga atingiu uma temperatura de cerca de 700°C, foi levantado o recipiente (16) de aço inoxidável e co locou-se rapidamente um pré-molde na superfície da massa líquida e recolocou-se o recipiente (l6) de aço inoxidável. Man teve-se depois o vaso a cerca de 800°C durante um intervalo de tempo de cerca de 30 horas, depois do que se retirou o prjé -molde da massa líquida e deixou-se arrefecer no ar.

pré-molde tinha uma forma cilíndrica simples com aproximadamente 1,3 centímetros de diâmetro por 1,3 centímetros de comprimento, de carboneto de silício, de 220 gritt (39 Crystolon da Norton Company). Retirou-se o pré— -molde a cerca de 7θ0°0 e arrefeceu-se até à temperatura ambiente. Conseguiu-se a infiltração espontânea completa e consta taram-se boas características de forma precisa.

Claims (36)

1. REIVINDICAÇÕES

   1, — Processo para a formação de um compósito com matriz de metal, caracterizado pelo facto de compreender as fases de:

   modelar um pré-molde de uma massa permeável de um material de enchimento substancialmente não reactivo;

   proporcionar uma massa líquida de metal da matriz fundido;

   estabelecer o contacto do pré-molde com a massa líquida de metal da matriz de metal; e infiltrar espontaneamente pelo menos uma porção do pré-molde com metal da matriz fundido.
2. 2. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de proporcionar uma atmosfera infiltrante, comunicando a atmosfera infiltrante com pelo menos o pré-molde e/ou o metal da matriz durante pelo menos uma parte do período de infiltração.
3. 3. - Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de fornecimento de um precursor de intensificador da infiltração e/ou um intensifi cador da infiltração ao metal da matriz e/ou ao pré-molde e/ou à atmosfera infiltrante.
4. 4. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de fornecimento de um precursor de intensificador da infiltração e/ou um intensificador da infiltração ao metal da matriz e/ou ao pre-molde.
5. 5· - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração e/ou o intensificador da infiltração sererr, fornecidos por uma fonte externa.
6. 6. — Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de estabelecer o contacto de pelo menos uma porção do pré-molde com um precursor de intensificador da infiltração e/ou um intensificador da infiltração durante pelo menos uma parte do período de infiltração.
7. 7. - Processo de acordo com a reivindi rizado pelo facto de o intensificador da infiltra por reacção de um precursor de intensificador da pelo menos uma espécie escolhida no grupo formado infiltrante no pré-molde e no metal da matriz.

   cação 3, caracteção ser formado infiltração e pela atmosfera
8. 8. - Processo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo facto de, durante a infiltração, o precursor de intensificador da infiltração se volatilizar.
9. 9. - Processo de acoito com a reivindicação 8, caracterizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração volatilizado reagir para formar um produto da reacção pelo menos numa porção do pré-molde.
10. 10. - Processo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo facto de o produto da reacção ser pelo menos parcialmente redutível pelo metal da matriz fundido.
11. 11. - Processo de acordo terizario pelo facto de o produto da uma porção do pré-molde.
12. 12. - Processo de acordo terizado pelo facto de compreender com a reivindicação 10, carac reacção revestir pelo menos com a reivindicação 1, caracainda a fase de definir um li62 mite de superfície no pré-molde com uma barreira, infiltrando-se o metal da matriz espontaneamente até à barreira.
13. 13. - Processo de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo facto de a barreira compreender um material escolhido no grupo formado pelo carbono, a grafite e o diboreto de titânio.
14. 14. - Processo de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo facto de a barreira ser substancialmente não molhável pelo metal da matriz.
15. 15· - Processo de acordo com a reivindicação 12, caracte rizado pelo facto de a barreira compreender pelo menos um material que permite a comunicação entre uma atmosfera infiltrante e o metal da matriz, e/ou o pré-molde e/ou o intensificador da infiltração e/ou o precursor de intensificador da infiltração.

    l6. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o pré-molde ser formado por uma massa permeável de um material de enchimento compreendendo pelo menos um material escolhido no grupo formado por pós, flocos, plaquetas, microesferas, filamentos emaranhados, pérolas, fibras, partículas, mantos rie fibras, fibras cortadas, esferas, grânulos, túbulos e tecidos refractários.
16. 17. - Processo de acordo com a reivindicaç3o 1, caracterizado pelo facto de o pré-molde ter uma solubilidade limitada no metal da matriz fundido.
17. 18. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o pré-molde compreender pelo menos um material cerâmico.
18. 19. - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o metal da matriz compreender alumínio, o precursor de intensificador da infiltração compreender pelo menos um material escolhido no grupo formado pelo magnésio, o estrôncio e o cálcio, e a atmosfera infiltrante compreender azoto.
19. 20. - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o metal da matriz compreender alumínio, o precursor de intensificador da infiltração compreender zinco e a atmosfera infiltrante compreender oxigénio.
20. 21. - Processo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo facto de o intensificador da infiltração e/ou o precursor de intensificador ria infiltração serem proporcionados num limite entre o pré-molde e o metal da matriz.
21. 22. - Processo de acordo com a reivindicação 1, carac- terizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração formar uma liga com o metal ria matriz.
22. 23. - Processo de acordo com a reivindicação 1, carac terizado pelo facto de o metal da matriz compreender alumínio e pelo menos um elemento de liga escolhido no grupo formado pelo silício, o ferro, o cobre, o manganês, o crómio, o zinco, o cálcio, o magnésio e o estrôncio.
23. 24. - Processo de acordo com a reivindicação 4, cara£ terizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração e/ou o intensificador da infiltração serem proporcionados quer no metal da matriz quer no pré-molde.
24. 25. - Processo de acordo com a reivindicação 3, cara£ 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 da matriz, o pré-molde e a atmosfera infiltrante .
25. 26. - 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 volati1ização do metal da matriz e à temperatura de fusão do material de enchimento.
26. 27. - Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo facto de a atmosfera infiltrante compreender uma atmosfera escolhida no grupo formado pelo oxigénio e o .azoto.
27. 28. - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração compreender um material escolhido no grupo formado pelo magnésio, o estrôncio e o cálcio.
28. 29. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o metal ria matriz compreender alumínio, e o material de enchimento compreender um material escolhido no grupo formado pelos óxidos, os carbonetos, os boretos e os nitretos.
29. 30. - Processo de acordo caracterizado pelo facto de a massa estar contida num vaso refractário.

    com as reivindicações 1 ou 3» líquida de metal da matriz
30. 31. - Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 3, caracterizado pelo facto de o pré-molde ser posto ern contacto com o metal da matriz fundido pela colocação do pré-molde numa superfí cie da massa líquida de metal da matriz..

    3-7. - Processo de acnrdo com a re i virrií cação 31, cnracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de pré-aquecimento (

    do pré-molde.
31. 33. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de a posição do pré-molde na massa líquida indicar que se verificou a infiltração espontânea.
32. 34. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de compreender ainda as fases de infiltrar um material de enchimento que, quando aquecido, forma um pré-molde no metal da matriz e fundir o metal da matriz sólido para formar a massa líquida de metal da matriz.
33. 35« - Processo de acordo com as xe i vi nd i ca çõe s 1, 31 ou 3't, caracterizado pelo facto dc compreender ainda as fases de fixar de maneira amovível urr. meio flutuante no pré-molde para ajudar o pré-molde a flutuar na massa líquida de metal da matriz, sc separar o meio flutuante do pré-molde depois de o pré-molde ter sido infiltrado espontaneamente.
34. 36. - Processo de acordo com a reivindicação '1 , caracterizado pelo facto de o pré-molde ser modelado com un. moplc reuti1 i z á v e 1.
35. 37« - Processo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo facto de o pré-molde ser modelado com um molde que é consumido durante a modelação do corpo compósito com matriz de metal.
36. 38. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de compreender ainda fases de proporcionar um segundo metal da matriz fundido e de estabelecer o contacto do pré-molde com o segundo metal da matriz fundido depois de pelo menos uma porção do pré-molde ter sido infiltrado espontaneamente pelo metal da matriz fundido.

    Lisboa, 9 de Novembro de 1989 O Agente Oficial da Prcprsdade Industrial

    -RESUMOPROCESSO DE FLUTUAÇÃO PARA A MODELAÇÃO DE CoRPOS COMPÓSITOS COM

    MATRIZ DE METAL¹'

    A invenção refere-se a um novo processo para a modelação de corpos compósitos com matriz de metal. Em particular, modela-se uma massa permeável de material de enchimento para se obter um pré-molde. C material de pré-molde pode então ser colocado nc superfície ou no interior de uma liga do metal da matriz, em conse quência do que a liga rio meta] da matriz se infiltra espontaneamente no pré-molde. Depois da infiltração substancialmente completa do pré-molde, c pré-molde começa o mergulhar, pelo menos parcialmente, no suprimento da liga do metal da matriz. 0 metal da matriz que tinha infiltrado o pré-molue deixa-se arrefecer, formando assim um corpo compósito com matriz de metal.