PT92259B

PT92259B - Processo para a termo-modelacao de um novo corpo composito com matriz de metal e produtos produzidos por esse processo

Info

Publication number: PT92259B
Application number: PT92259A
Authority: PT
Inventors: Marc Stevens Newkirk; John Thomas Burke
Original assignee: Lanxide Technology Co Ltd
Priority date: 1988-11-10
Filing date: 1989-11-09
Publication date: 1995-09-12
Also published as: KR900007592A; EP0368789B1; KR0148356B1; FI894937A0; MX173665B; PT92259A; IL91720A0; DK559389D0; US5004035A; IE65245B1; JP2905522B2; DK559389A; FI91609C; AU625094B2; TR27190A; DE68917559D1; CA2000781A1; EP0368789A1; ATE110118T1; CN1042494A

Description

A presente invenção refere-se à formação de um corpo compósito com matriz de metal por uma técnica de infiltração espontânea e, em seguida, a termomoldação do corpo compósito com matriz de metal produzido. Em particular, um intensificador da infiltração e/ou um precursor do intensificador da infiltração e/ou uma atmosfera infiltrante estão em comunicação com um material de enchi, mento ou um pré-molde, pelo menos num dado instante duran te o processo, o que permite que metal da matriz fundido se infiltre/espontaneamente no material de enchimento ou no pré-molde. Após a formação do corpo compósito com matriz de metal, o corpo é submetido a uma técnica de termomolda ção tal como laminagem, extrusão, moldação com matrizes, forjamento, estampagem, prensagem, etc.

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 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 desgaste devido ao contacto e a retenção da resistência às temperaturas elevadas relativamente ao metal da matriz sob a forma monolítica, mas o grau em que qualquer propriedade dada pode ser melhorada depende grandemente dos constituintes específicos, da sua percentagem em volume ou em peso e da 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 à sua maior firmeza, resistência ao desgaste e resistência a temperaturas elevadas, em comparação com o alumínio.

Têm sido descritos vários processos metalúrgicos para a fabricação de compósitos com matriz de alu mínio, 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 metalur gia dos pós, o metal sob a forma de um pó e o material de reforço sob a forma de um pó, filamentos emaranhados, fibras cortadas, etc, são misturados e depois, prensados a frio e sinterizados ou prensados a quente. A percentagem máxima, em volume, de cerâmica nos compósitos com matriz de alumínio reforçados com carboneto de silício produzidos por este processo tem sido indicada como sendo cerca de 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 produção de compósitos com matriz de metal pelas técnicas da metalurgia dos pós utilizando os processos convencionais impõe certas limitações relativamente às características dos produtos que podem obter-se.

A percentagem, em volume da fase cerâmica no compósito é limitada tipicamente, no caso dos materiais em partículas, a cerca de 40 por cento. Também, a operação de prensagem põe um limite às dimensões práticas que podem obter-se. Apenas formas do produto relativamente simples são possíveis sem um processamento subsequente (por exemplo, modelação ou maquinagem) ou sem recorrer a prensas complexas. Também, pode verificar-se a contracção não uniforme duran te a sinterização, bem como a não uniformidade da microes trutura, devido à segregação nos compactos e crescimento de grãos.

A patente norte-americana Ns 3.970.135 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 exem pio filamentos emaranhados de carboneto de silício ou de alumina, com um padrão pré-determinado da orientação das fibras. 0 compósito é feito colocando mantos ou feltros paralelos de 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 envol ver as fibras orientadas. 0 metal fundido pode ser vazado na pilha de mantos enquanto é forçado sob pressão a circu lar entre os mantos. Têm sido referidas cargas até cerca de 50%, em volume, de fibras de reforço no compósito.

processo de infiltração atrás descrito, tendo em vista a sua dependência da pressão externa para forçar o metal da matriz fundido através da pilha de mantos de fibras, está sujeito aos caprichos dos processos de fluência induzidos pela pressão, isto é, a possível não uniformidade da formação 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 agregado fibroso. Consequentemen te, é necessário proporcionar agregados de mantos/reserva tório e trajectos do fluxo complicados para se obter a penetração adequada e uniforme da pilha de mantos de fibras. Também, o processo de infiltração sob pressão atrás referido apenas permite obter um reforço relativamente baixo da percentagem, em volume da matriz, devido à dificuldade inerente à infiltração de um grande volume de man tos. Mais ainda, são necessários moldes para manter o metal fundido sob pressão, o que aumenta o custo do processo. Finalmente, o processo atrás citado, limitado à infil tração de partículas ou fibras alinhadas, não se orienta para a formação de compósitos com matriz de alumínio refor çados com materiais sob a forma de partículas, filamentos ou fibras orientados aleatoriamente.

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

A Patente norte-americana 4.232.091 concedida a R.W./Grimshaw e outros, vence certas dificuldades técnicas encontradas na produção de compósitos com matriz de alumínio e alumina. Essa Patente descreve a aoli /

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cação de pressões de 75-375 Kg/crn para forçar alumínio fundido (ou a liga de alumínio fundida) num manto de fibras ou filamentos emaranhados de aiumina que foi pré-aquecido a uma temperatura de 700 a 1050° C. A relação máxima entre os volumes de aiumina de metal na peça moldada sólida resul tante foi 0,25/1. 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 N2 115.742 descreve a fabricação de compósitos de alumina-alumínio, especialmente utilizáveis como componentes de pilhas electrolíticas, pelo preenchimento dos vazios de uma matriz de aiumina pré-moldada com alumínio fundido.

pedido de patente faz realçar a não molhabilidade da aiumina pelo alumínio e, portanto são usadas várias técnicas para molhar a aiumina em todo a pré-molde. Por exemplo, reveste-se a aiumina com um agente molhante formado por um diboreto de titânio, de zircónio, de háfnio ou de nióbio ou com um metal, isto é, lítio, magnésio, cálcio, titânio, crómio, ferro, cobalto, níquel, zircónio ou háfnio. Utilizam-se atmosferas inertes, tais como de árgon, para facili. tar o molhamento. Esta referência mostra também a aplicação de pressão para fazer com que o alumínio fundido penetre numa matriz não revestida. Nesse aspecto, a infiltração é realizada evacuando os poros e aplicando depois pres são ao alumínio fundido numa atmosfera inerte, por exemplo de árgon. Em alternativa pode infiltrar-se o pré-molde por

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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 1400

1800° C, no vácuo ou em árgon. Caso contrário, quer a exposição do material infil. trado 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 electrolítica com metal fundido é, também apresentado no pedido de patente europeu N2 94353 . 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 substrato 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 enquanto mergulha no alumínio fundido produzido pelo processo electrolítico. Os agentes molhantes indicados são o titânio, o zircónio, o háfnio, o silício, o magnésio, o vanádio, o crómio, o nióbio ou o cálcio, sendo o titânio mencionado como o agente preferido. Os compostos de boro, carbono e azoto são descritos como sendo utilizáveis para suprimir a solu bilidade dos agentes molhantes no alumínio fundido. A referência, porém, não sugere a produção de compósitos com

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matriz de metal nem sugere a formação de um tal compósito numa atmosfera por exemplo de azoto.

Além da aplicação de pressão e agentes molhantes, foi indicado que um vácuo aplicado auxiliará a penetração de alumínio fundido num compacto cerâmico poroso. Por exemplo, a patente americana N² 3 718 441, concedida em 27 de Fevereiro de 1973 a R.L. Landingham, relata a infiltração de um compacto cerâmico (por exemplo, carboneto de boro, alumina e óxido de berílio) com alumínio fundido, berílio, maqnésio, titânio, vanádio, níquel ou crómio, sob um vácuo de menos de 10 torr. Um vácuo de 10 a 10^- torr teve como resultado um molhamento insuficiente da cerâmica pelo metal fundido até o ponto de o metal não fluir livremente para o interior dos espaços vazios da cerâmica. Contudo, referiu-se que o molhamento melhorou quando se reduziu o vácuo para menos de 10 ° torr.

A patente americana U² 3.8Õ4.154, concedida em 4 de Fevereiro de 1975, a G.E. Gazza e outros, também mostra a utilização do vácuo para se obter a infiltra ção. Esta patente descreve o processo de carregar um compacto prensado a frio de pó de AlB^^ num leito de pó de alumínio prensado a frio. Colocou-se depois alumínio adicional no topo do pó de A13 . Colocou-se o cadinho, carregado com compacto de A13 ensanduichado entre as camadas de pó de alumínio, num forno no vácuo. O forno foi evacuado até aproximadamente 10 torr, para permitir a /

saída dos gases. Elevou-se depois a temperatura até 11OO°C e manteve-se durante um período de 3 horas. Nessas condições, o alumínio fundido penetrou no compacto de A1B.

poroso.

A patente americana N? 3.364.976, concedida em 23 de Janeiro de 1968, a John N. Reding e outros, apresenta o conceito de criação de um vácuo autogerado num corpo para intensificar a penetração de um metal fundido no corpo. Especificamente, descreve-se gue um corpo, por exemplo, um molde de grafite, um molde de aço ou um material refractàrio poroso é inteiramente submerso no metal fundido. No caso de um molde, a cavidade do molde, que é preenchida com um gás reactivo com o metal, comunica com o metal fundido situado exteriormente através de pelo menos um orifício no molde. Quando se mergulha o molde na massa em fusão, verifica-se o enchimento da 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 vácuo é o resultado da formação de uma forma oxidada sólida do metal. Assim, Reding et al descrevem que é essen ciai induzir uma reacção entre o gás na cavidade e o metal fundido. Contudo, utilizando um molde para criar um vácuo pode ser indesejável por causa das limitações inerentes associadas com a utilização de um molde. Os moldes têm de ser primeiro maquinados para lhe dar uma forma particular e depois, acabados, maquinados para produzir uma superfície de vazamento aceitável no molde, depois, montados an- 10 tes da sua utilização e em seguida desmontados após o seu uso para remover a peça fundida do mesmo, seguindo-se depois a recuperação do molde, o que, mais provavelmente, incluirá a rectificação das superfícies do molde ou o seu descarte se não já aceitável para ser utilizado. A maquinaçem de um molde para obter uma forma complexa pode ser muito cara e demorada. Além disso, pode ser muito difícil a remoção de uma peça moldada de um molde de forma complexa ( isto é, as peças moldadas com uma forma complexa podem partir-se quando se retiram do molde). Mais ainda, embora haja uma sugestão de que um material refractário poroso pode ser imerso directamente num metal fundido sem a neces sidade de um molde, o material refractário teria que ser uma peça inteira porque não se tomam providências para infiltrar um material poroso separado ou solto, sem o uso de um molde contentor (isto é, crê-se geralmente que tipicamente o material em partículas se desintregraria ou se separaria por flutuação, quando colocado num metal fundido) . Mais ainda, se se desejasse infiltrar um material em partículas ou um pré-molde formado solto, seria necessário tomar precauções pera que o metal infiltrante não desloque pelo menos porções do material em partículas do pré-molde, dando origem a uma microestrutura não homogénea.

Consequentemente, tem havido uma necessidade há muito sentida de um processo simples e confiável para produzir compósitos com matriz de metal modelados que não dependem da utilização de pressão ou vácuo aplicado

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

Descrição dos pedidos de patente americanos do mesmo proorietário

O assunto do presente pedido de patente está relacionado com o de diversos outros pedidos de paten te copendentes do mesmo proprietário. Em particular, estes outros pedidos de patente copendentes descrevem processos novos para a fabricação de materiais compósitos com matriz de metal (de aqui em diante, por vezes designados por Pedidos de patente de matrizes metálicas do mesmo proprie tário) .

Um processo novo para a fabricação de um

- 12 -/ material compósito com matriz de metal é apresentado no pedido de patente americano do mesmo proprietário,

N? 049.171, depositado em 13 de Maio de 1987, em nome de White et al e intitulado Metal Matrix Composites, agora concedido nos Estados Unidos. De acordo com o processo da invenção de White et al, um compósito com matriz de metal é produzido pela infiltração de uma massa permeável de material de enchimento (por exemplo, uma cerâmica ou um material revestido com cerâmica) com alumínio fundido contendo pelo menos cerca de 1 por cento, em peso, de magnésio e de preferência pelo menos cerca de 3 por cento, em peso, de magnésio. A infiltração ocorre espontaneamente sem aplicação de pressão ou vácuo exteriores. Um suprimento de liga de metal fundido é posto em contacto com a massa de material de enchimento a uma temperatura de pelo menos cerca de 375° 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, ο suprimento de liga fundida fornecido será suficiente para permitir que a infiltração se processe substancialmen te até aos limites da massa de material de enchimento. A quantidade de material de enchimento nos compósitos com matriz de alumínio produzidos de acordo com a invenção de White et al pode ser extraordinariamente alta. A este respeito, podem atingir-se relações volumétricas entre o mate rial de enchimento e a liga maiores que 1:1.

Nas condições do processo na invenção de White et al atrás mencionada, pode formar-se nitreto de alumínio como uma fase descontínua dispersa por toda 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 proprie dades do compósito. Para algumas aplicações de utilização final, pode no entanto ser desejável que o compósito contenha pouco ou substancialmente nenhum nitreto de alumínio.

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

^TJm exemplo de dispositivo de barreira adequado para ser utilizado com a formação de compósitos com matriz de metal é descrito no pedido de patente americano

Τ' do mesmo proprietário Ns 141 ó42, depositado em 7 de Jsnei ro de 1988, em nome de Michael K. Aghajanian et al, e inti. tulado 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 mate rial de grafite, tal como produto de fita de grafite flexí vel vendida pela Union Carbide com a designação comercial

Grafoil'⁴') num limite de superfície definido do material de enchimento, e a liga da matriz infiltra-se até ao limite definido pelo meio de barreira. 0 meio de barreira é usado para inibir, impedir ou terminar a infiltração da liga fundida, proporcionando assim formas reticulares ou quase reticulares no compósito com matriz de metal resultante. Consequentemente, os corpos compósitos com matriz de metal formados têm uma forma exterior que corresponde substancial mente à forma interior do meio de barreira.

processo do pedido de patente americano

N9 049 171 foi aperfeiçoado pelo pedido de patente americano copendente e do mesmo proprietário N5 168 284, depositado em 15 de Março de 1988, em nome de Michael K. Aghajanian e Marc S. Mewkirk e intitulado Metal Matrix Composites and Techniques for Making the Same. De acordo com os processos apresentados nesse pedido de patente americano, uma liga de metal da matriz está presente 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 infiltra ção 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 de matriz fundida à medida que a infiltração espontânea continua. Quando se tiver infiltrado espontaneamente uma quantidade desejada de mate rial de enchimento permeável pela liga da matriz fundida, baixa-se a temperatura para solidificar a liga, formando assim uma estrutura sólida da matriz de metal que embebe o material de enchimento de reforço. Deve compreender-se que a utilização de um reservatório de metal é simplesmente uma forma de realização da invenção descrita nesse pedi do de patente e não é necessário combinar a forma de reali. zação do reservatório com todas as formas de realização alternativas da invenção nele descritas, algumas das quais poderiam também ser convenientes para utilizar em combinação com a presente invenção.

O reservatório de metal pode estar presente numa quantidade tal que proporciona uma quantidade sufj. ciente de metal para infiltrar a massa permeável de material de enchimento numa extensão oré-determinada. Em alter

nativa, um meio de barreira optativo pode contactar a massa permeável de material de enchimento pelo menos de um dos seus lados para definir um limite de superfície.

Além disso, embora o suprimento de liga da matriz fundida fornecida possa ser pelo menos suficien te para permitir que a infiltração espontânea se processe 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 fixada ao corpo compósito com matriz de metal. Assim quando estiver presente liga fundida em excesso, o corpo resultante será um corpo compósito complexo (por exemplo, um macro-compósito), 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 pro cessos 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 anterior são aoui expressamente incorporados oor referência.

Sumário da Invenção:

Um corpo compósito com matriz de metal é produzido pela infiltração espontânea de uma massa permeável de material de enchimento ou um pré-molde com um metal de matriz fundido. O material de enchimento ou o pré-molde infiltrados são em seguida, termomoldados por uma técnica adequada. Ξspecificamente, um intensificador de infiltração e/ou um precursor de intensificador de infiltração e/ /ou uma atmosfera infiltrante estão em comunicação com o material de enchimento um pré-molde, pelo menos em algum instante durante o processo, o que permite que o metal de matriz fundido se infiltre espontaneamente no material de enchimento ou pré-molde. Após a formação do corpo compósito com matriz de metal, submete-se o corpo a uma técnica de termomoldação, tal como laminagem, extrusão, moldação com matrizes, forjamento, estampagem, prensagem, etc.

Numa primeira forma de realização, pode fornecer-se um precursor de intensificador de infiltração a um material de enchimento e/ou a um pré-molde e/ou um metal de matriz e/ou uma atmosfera infiltrante. 0 precursor de intensificador de infiltração fornecido pode, em seguida, reagir com o material de enchimento e/ou o pré-molde e/ou o metal da matriz e/ou a atmosfera infiltrante para produzir um intensificador de infiltração numa porção do material de enchimento e/ou no pré-molde. Finalmente, pelo menos durante a infiltração espontânea, o intensificador de infiltração estará em contacto com pelo

menos uma porção do material de enchimento ou do pré-molde.

Uma vez obtida a infiltração espontânea no pré-molde ou no material de enchimento, pode depois submeter-se, o pré-molde ou o material de enchimento infiltrados a uma técnica de termomoldação. Tais técnicas de termomoldação podem ser realizadas, por exemplo, aproximadamente à temperatura a que se completa a fusão do metal da matriz no corpo compósito com matriz de metal ou mesmo acima dessa temperatura. £ importante notar que o corpo compósito com matriz de metal infiltrado mantém substancial mente a sua forma à temperatura de fusão do metal da matriz, ou superior, devido à presença do material de enchimento ou do pré-molde infiltrados.

O corpo compósito com matriz de metal pode ser completamente arrefecido e, em seguida, aquecido até aproximadamente à temperatura a que se completa a fusão, para ser termomoldado num processo subsequente. Sm alternativa, o corpo infiltrado espontaneamente pode ser arrefecido depois da infiltração espontânea até aproximadamente à temperatura a que se completa a fusão e termomoldado de maneira substancialmente imediada. Além disso, podem formar-se corpos intermediários, tais como lingotes, que são subsequentemente reaquecidos para uma nova termomoldação. 0 compósito com matriz de metal infiltrado espontânea mente segundo a presente invenção mostra ter características de trabalhabilidade análogas às dos metais ou compostos intermetálicos, ao mesmo tempo que mantém as vantagens

-/ substanciais e materiais das propriedades associadas com os compósitos com matriz de metal divulgados.

Além disso, a termomoldação vantajosa segundo a presente invenção é realizada sem aumentar os defeitos ou falhas no material e, em alguns casos, pode conduzir a uma redução nesses defeitos ou falhas. Especifi camente, o processamento secundário pode conduzir a uma redução no número e nas dimensões dos poros e na restauração de fendas presentes no corpo antes da realização do processamento secundário. Podem obter-se acabamentos de superfície tão bons e, em algumas aplicações, melhores do que no corpo não processado, através de técnicas de termomoldação .

Deve notar-se que o presente pedido de patente descreve principalmente metais da matriz de alumínio que, em determinado instante durante a formação do corpo compósito com matriz de metal, com magnésio, que funciona como o precursor do intensificador da infiltração, na presença do azoto, que funciona como atmosfera infiltrante. Assim, o sistema de metal da matriz/precursor do intensifi. cador da infiltração/atmosfera infiltrante de alumínio/mac nésio/azoto apresenta a infiltração espontânea. Contudo, outros sistemas de metal da matriz/precursor do intensificador da infiltração/atmosfera infiltrante podem também comportar-se de maneira análoga à do sistema de alumínio/ /magnésio/azoto. Por exemplo, verificou-se um comportamento de infiltração espontânea análogo no sistema alumínio/ /estrôncio/azoto, no sistema aluminio/zinco/oxigénio e no sistema alumínio/cálcio/azoto. Consequentements, embora aqui se descreva primariamente o sistema alumínio/magnésio/ /azoto, deve entender-se que outros sistemas de metal da matriz/precursor do intensificador da infiltração/atmosfera infiltrante podem comportar-se de maneira análoga.

Quando o metal da matriz é constituido por uma liga de alumínio, a liga de alumínio é posta em contac to com uma pré-molde que inclui um material de enchimento (por exemplo, alumina ou carboneto de silício) tendo o material de enchimento ou o pré-molde com ele misturado e/ou estando num dado instante durante o processo do exposto ao magnésio. Além disso, numa forma de realização preferida, a liga de alumínio e/ou o pré-molde ou o material de enchimento estão contidos numa atmosfera de azoto pelo menos numa parte do processo. 0 pré-molde será infiltrado espontaneamente e a extensão ou a velocidade de infiltração espontânea da matriz de metal variarão com um dado conjunto de condiçoes do processo, incluindo, por exemplo, a concentração de magnésio proporcionada ao sistema (por exemplo, na liga de alumínio e/ou no material de enchimento ou pré-molde e/ou na atmosfera infiltrante), as dimensões e/ou a composição das partículas do pré-molde ou do material de enchimento, a concentração de azoto na atmosfera infiltrante, o tempo permitido para que a infiltração ocorra e/ou a temperatura a que a infiltração ocorre. A infiltração espontânea, ocorre tipicamente até um grau

I .¼ suficiente para embeber de maneira substancialmente completa o pré-molde ou o material de enchimento.

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 prssente definição é uma liga ou composto intermetálico em que o alumínio é o constituinte principal.

Gás restante não oxidante, como aqui é usado, significa que qualquer gás presente, além do gás principal que constitui a atmosfera infiltrante, é ou um gás inerte ou um gás redutor 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) usadofs) 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 interfere, inibe, impede ou interrompe a migração, o movimento ou similar, de metal da matriz fundido oara além de um /

/ /

i limite de superfície de uma massa permeável do material de enchimento ou pré-molde, sendo esse limite de superfície definido pelos meios de barreira. São meios de barreira apropriados qualquer material, composto, elemento, composi. ção ou similar que, nas condições do processo, mantém uma certa integridade e gue não é substancialmente volátil (isto é, o material de barreira não se volatiza até um ponto tal gue se torne não funcional como barreira.

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

Carcaça o.u carcaça de metal da matriz , como aqui é usado, refere-se a qualquer porção do corpo orioinal de metal da matriz restante, oue não foi consumi23 /

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

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

Atmosfera infiltrante, como aqui é usado, significa a atmosfera que está presente, que integre com

- 24 -r 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 precursor de intensificador de infiltração com uma atmosfera infiltrante para formar (1) uma espécie gasosa e/ou (2) um produto da reacção do precursor de intensificador de infiltração com a atmosfera infiltrante e/ ou (3) um produto da reacção 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 ao metal da matriz 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 precursor de intensificador de infiltração e outras espécies. Finalmente, pelo menos durante a infiltração espontânea, o intensificador de infiltração deve estar localizado em pelo menos uma porção do material de enchimento ou pré-molde para obter a infiltração espontânea.

Precursor de intensificador de infiltração ou orecursor para o intensificador de infiltração, como aqui é usado, significa un material que, quando usado em combinação com o metal da matriz, o prá-molde e/ou a atmosfera infiltrante, forma um intensificador de infiltra ção que induz ou auxilia o metal da matriz a infiltrar-se espontaneamente no material de enchimento ou pré-molde.

Sem desejar ficar limitado por qualquer teoria ou explicação particular, parece contudo que pode ser necessário que o precursor do intensificador de infiltração possa ser posicionado, localizado ou transportável para um local que permita que o precursor de intensificador de infiltração interaja com a atmosfera infiltrante e/ou o pré-molde ou material de enchimento e/ou metal da matriz. Por exemplo, em certos sistemas de metal da matriz/precursor de intensificador de infiltração/atmosfera infiltrante á desejável que o precursor de intensificador de infiltração se volati. lize na vizinhança da ou, em alguns casos, um pouco acima da, temperatura a que o metal da matriz funde. Essa volatiiizaçãó pode levar a:(l) uma reacção do precursor de intensificador de infiltração com a atmosfera infiltrante para formar uma espécie gasosa que intensifica o molhamento do material de enchimento ou o pré-molde pelo metal da matriz; e/ou (2) uma reacção do precursor de intensificador de infiltração com a atmosfera infiltrante para formar um intensificador de infiltração sólido, líquido ou gasoso em pelo menos uma porção do material de enchimento ou do

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

Metal da matriz ou liga de metal da matriz , como aqui é usado, significa o metal que é utilizado para formar um compósito com matriz de metal (por exemplo, antes da infiltração) e/ou o metal que é misturado com um material de enchimento para formar um corpo compósi. to 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 como um metal essencialmente puro, um metal comercialmente disponível com impurezas e/ou elementos de liga, um composto intermetálico ou uma liga em que aquele metal é o constituinte principal ou predominante.

Sistema de metal da matriz/precursor de intensificador da infiltracão/atmosfera infiitrante ou Sistema espontâneo, como aqui é usado, refere-se à combi nação de materiais que apresente infiltração espontânea num pré-molde ou material de enchimento. Deve entender-se que quando aparecer um / entre um metal da matriz exemplificativo, u.m precursor de intensificador de infiltração e uma atmosfera infiitrante, / é utilizado para designar um sistema ou combinação de materiais que, quando combina- 27 /

dos de uma maneira particular apresentam a infiltração espontânea num pré-molde ou material de enchimento.

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

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

Vaso não reactivo aara alojar o metal da matriz, significa qualquer vaso que possa alojar ou conter um material de enchimento (ou pré-molde) e/ou metal da matriz fundido nas condições do processo e que não reage com a matriz e/ou a atmosfera infiltrante e/ou o precursor do intensificador de infiltração e/ou um material de enchimento ou pré-molde de 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 substancialmente um limite para infiltração do metal da matriz, mantendo essa massa uma integridade de forma e uma resistência em verde suficientes para proporcionar uma fidelidade dimensional antes de ser infiltrada pelo metal da matriz. A massa deve ser suficientemente porosa para se adaptar à infiltração espontânea do metal da matriz no seu interior. Uma pré-molde compreende tipicamente um açregado ou disposição ligados de material de enchimento, homogéneo ou heterogéneo, e pode ser constituído por qualquer material adequado (por exemplo, um material em partículas, em pó, fibras, filamentos emaranhados, etc, de cerâmica e/ou metal e qualquer combinação dos mesmos) . Um. pré-molde pode existir individualmente ou como um conjunto.

Reservatório como aqui é usado, signifi.

ca um corpo separado de metal da matriz posicionado em relação a uma massa de material de enchimento ou pré-molde, de modo que, quando o metal estiver fundido, pode fluir para reabastecer, ou em alguns casos, proporcionar inicial, mente e depois reabastecer a porção, segmento ou fonte de metal da matriz que está em contacto com o material de enchimento ou pré-molde.

Infiltração esnontânea, como acui é usado significa a infiltração do metal da matriz na massa permeá vel de material de enchimento ou pré-molde, que se verifica sem exigir a aplicação de nressão ou vácuo (quer aplicados externamente cuer criados internamente).

Termomoldação, como aqui é usado, significa o processamento secundário de um compósito com matriz de metal enquanto está à sua temperatura a que se completa a fusão, ou a uma temperatura superior, tal como, extrusão, moldação por matrizes, forjamento, laminagem, estampagem, prensagem ou qualquer outro processo que provoque a fluência do compósito com matriz de metal tixotrópico.

Sreve 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 números de referência iguais, sempre que possível, em todas as figuras, para indicar componentes semelhantes, representando.

A fig. 1, uma vista em corte transversal esquemática de um conjunto para produzir um compósito com matriz de metal infiltrados espontaneamente;

As fig. 2 e 3 são fotografias do acabamento de superfície obtido por termomoldação de um compósito com matriz de metal infiltrado espontaneamente com um molde para fundição de precisão de uma taça de poliestireno.

Descrição pormenorizada da invenção e formas de realização pre feridas

A presente invenção refere-se à formação do compósito com matriz de metal por infiltração escontâ^nea do material de enchimento ou oré-molde com metal da

da matriz fundido. Em particular, um intensificador de infiltração e/ou um precursor de intensificador de infiltração e/ou uma atmosfera infiltrante estão em comunicação com o material de enchimento ou uma pré-molde, pelo menos num certo instante durante o processo, o cue permite que se infiltre metal da matriz fundido espontaneamente no material de enchimento ou no pré-molde. Após a infiltração espontânea do material de enchimento ou do pré-molde ter sido obtida, o material de enchimento infiltrado é em seguida termomoldado numa fase subsequente de tratamento.

Com referência à fig. 1, nela está representado um conjunto simples (10) para a formação de um compósito com matriz de metal infiltrado espontaneamente, gue pode ser subsequentemente termomoldado. Especificamente, um material de enchimento ou pré-molde (1), que pode ser de qualquer material adequado, como adiante se examina em pormenor, é colocado num vaso não reactivo para alojar metal da matriz (2). 0 vaso não reactivo deve ser feito de um material, ou deve ser forrado, pintado ou revestido com um material adequado, que não afecte adversamente o proces so de infiltração espontânea, como se examina adiante com mais pormenor. 0 metal da matriz (3) é colocado no, ou junto do, material de enchimento ou pré-molde (1). 0 conjunto é em seguida colocado num forno para iniciar a infi_l tração espontânea.

Sem desejar ficar limitado a qualquer teoria ou explicação particulares, quando se utilizar um ζ

precursor de intensificador de infiltração em combinação cora o metal da matriz, e/ou o material de enchimento e/ou o pré-molde e/ou a atmosfera infiltrante, o precursor de intensificador de infiltração pode reagir para formar um intensificador de infiltração que induz ou auxilia a infil tração do metal com matriz de metal fundido espontaneamente no material de enchimento ou pré-molde. Além disso, é como se fosse necessário que o precursor do intensificador de infiltração possa ser posicionado, localizado ou transportável para o local que permite que o precursor de inten sificador de infiltração interaja com a atmosfera infiltran te e/ou o pré-molde ou material de enchimento e/ou o metal da matriz fundido. Por exemplo, em alguns sistemas de metal da matriz/precursor de intensificador de infiltração/atmo^ fera infiltrante é desejável que o precursor de intensificador de infiltração se volatilize à temperatura a que o metal da matriz se funde, próximo dessa temperatura ou, em alguns casos, mesmo um pouco acima da mesma. Essa volatização pode conduzir a: (1) uma reacção do precursor de intensificador de infiltração com a atmosfera infiltrante para formar uma espécie gasosa que intensifica o molhamento do material de enchimento ou prá-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 pré-molde, e que intensifica o molhamento; e/ou (3) uma reac32

ção do precursor de intensificador de infiltração no interior do material de enchimento ou pré-molde, o cue forma um intensificador de infiltração sólido, liquido ou gasoso em pelo menos uma porção do material de enchimento ou pré-molde, o que intensifica o molhamento.

Assim, por exemplo, se se incluir um precursor de intensificador de infiltração com metal de matriz fundida, pelo menos num certo instante durante o processo, é possível que o intensificador de infiltração possa volatilizar-se a partir do metal da matriz fundido e reagir com o material de enchimento ou pré-molde e/ou a atmosfera infiltrante. Essa reacção pode ter como resultado a formação de uma espécie sólida, se essa espécie sólida for estável à temperatura de infiltração, sendo a referida espécie sólida susceptível de ser depositada em pelo menos uma porção do material de enchimento ou pré-molde como, por exemplo, um revestimento. Além disso, é concebível que essa espécie sólida possa estar presente como um sólido discernível no interior de pelo menos uma porção do pré-molde ou material de enchimento. Se se formasse uma tal espécie sól_i da, o metal da matriz fundido pode ter a tendência para reagir (por exemplo, o metal da matriz fundido pode reduzir a espécie sólida formada, de modo que pode associar-se (por exemplo dissolver-se ou formar uma liga) precursor de inten sificador de infiltração com o metal da matriz fundido. Consequentemente, pode então ficar disponível o precursor de intensificador de infiltração adicional para se volati33 lizar e reagir com outras espécies (por exemplo, o material de enchimento ou o pré-molde e/ou a atmosfera infiltrante) e mais uma vez formar uma espécie sólida similar. 2 concebível que possa verificar-se um processo contínuo de conversão de um precursor de intensificador de infiltração em intensificador de infiltração seguido por uma reacção de redução do intensificador de infiltração com metal da matriz fundido para mais uma vez formar intensificador de infiltração adicional etc., até o resultado obtido ser um compósito com matriz de metal infiltrado espontaneamente.

A fim de efectuar a infiltração espontânea do metal da matriz no pré-molde, deve proporcionar-se um intensificador de infiltração ao sistema espontâneo. Um intensificador de infiltração poderia ser formado a partir de um precursor de intensificador de infiltração que poderia ser proporcionado (1) no metal da matriz; e/ou (2) no pré-molde e/ou (3) a. partir da atmosfera infiltrante e/ou (4) a partir de uma fonte externa para o sistema espontâneo. Além disso, em vez de fornecer um precursor de intensificador de infiltração, pode proporcionar-se um intensificador de infiltração directamente no 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 em pelo menos uma porção do material de enchimento ou pré-molde.

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

Um exemplo de um sistema de metal da matriz /precursor de intensificador de infiltraçâo/atmosfera infiltrante é o sistema de alumínio/magnésio/azoto. Especificamente, um metal da matriz de alumínio pode estar contido dentro de um vaso refractário adequado que, nas condições do processo, não reage com o metal da matriz de alumínio e/ou o material de enchimento, quando o alumínio fundit. Um material de enchimento ou pré-molde pode depois disso, ser posto em contacto com o metal da matriz de alumínio fundido e infiltrado espontaneamente.

Além disso, em vez de fornecer um precursor de intensificador de infiltração, pode fornecer-se um intensificador da infiltração directamente ao oré-molde ou material de enchimento 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 em pelo menos uma porção do material de enchimento ou pré-molde.

Nas condições usadas no processo segundo a presente invenção, no caso de um sistema de infiltração espontânea de alumínio/magnésio/azoto, o pré-molde ou o material de enchimento devem ser suficientemente permeáveis para permitir gue o gás contendo azoto penetre ou atravesse os poros do material de enchimento ou pré-molde num dado instante durante o processo e/ou entre em contacto com o metal da matriz fundido. Além disso, o material de enchimento ou o pré-molde permeáveis podem adaptar-se à infiltração do metal da matriz fundido, fazendo assim com que o pré-molde impregnados com azoto seja infiltrada espontânea mente com metal da matriz fundido para formar um corpo com pósito com matriz de metal e/ou fazer com que azoto reaja com um precursor do intensificador da infiltração para formar o intensificador da infiltração no material de enchi, mento ou pré-molde, dando assim origem à infiltração espon tânea. A extensão da infiltração espontânea e a formação do compósito com matriz de metal variarão com um dado conjunto de condições de processo, incluindo o teor de magnésio da liga de alumínio, o teor de magnésio do pré-molde ou material de enchimento, a quantidade de nitreto de magné sio no pré-molde ou material de enchimento, a presença de elementos de liga adicionais por exemplo silício, ferro, cobre, manganês, crómio, zinco e semelhantes), as dimensões

médias do material de enchimento (por exemplo, o diâmetro das partículas) que constituem o pré-molde ou material de enchimento, a condição da superfície e o tipo de material de enchimento ou pré-molde, a concentração de azoto da atmosfera infiltrante, o tempo permitido para a infiltração e a temperatura a que se verifica a infiltração. Por exemplo, para que a infiltração de metal da matriz de alumínio fundido se verifique espontaneamente o alumínio pode formar uma liga com pelo menos cerca de 1 por cento, em peso, e de perferência pelo menos cerca de 3 por cento, em peso, de magnésio (que funciona como precursor do intensificador de infiltração) com base no peso da liga. Elementos de liga auxiliares, como atrás se mencionou, também podem estar incluídos no metal da matriz para nela obter propriedades específicas pré-determinadas. Adicionalmente, os elementos de liga auxiliares podem influenciar a quantidade mínima de magnésio requerida no metal de alumínio da matriz para conduzir à infiltração espontânea do material de enchimento ou pré-molde. A perda de magnésio a partir do sistema espontâneo devido, por exemplo, à volati lização, não ocorrerá em grau tal que não haja nenhum magnésio para formar intensificador de infiltração. Assim, é desejável utilizar uma quantidade suficiente de elementos de liga iniciais para assegurar gue a infiltração espon tânea não será afectada de maneira adversa pela volatilização. Além disso ainda, a presença de magnésio quer no pré-molde (ou material de enchimento), quer no metal da matriz ou apenas no pré-molde (ou material de enchimento) pode ter como consequência uma redução na quantidade de magnésio necessário para se pbter a infiltração espontânea ( examinado com mais pormenor mais adiantei. A percentagem em volume, de azoto na atmosfera de azoto também afecta as taxas de formação do corpo compósito com matriz de metal. Especificamente, se estiverem presentes menos de cerca de 10 por cento, em volume, de azoto na atmosfera, verificar-se-à 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, por exemplo, menores tempos de infiltração devido a uma velocidade de infiltração muito maior. A atmosfera infiltrante (por exemplo, um gás conten do azoto) pode ser fornecida directamente ao material de enchimento ou pré-molde e/ou ao metal da matriz, ou pode ser produzida por ou resultar de uma decomposição de um material.

O teor mínimo de magnésio requerido para que o metal da matriz fundido se infiltre num material de enchimento ou pré-molde depende de uma ou mais variáveis tais como a temperatura de processamento, o tempo, a presença de elementos de liga auxiliares, tais como silício ou zinco, a natureza do material de enchimento, a localização do magnésio em um ou mais dos componentes do sistema espontâneo, o teor de azoto da atmosfera e a velocidade com que a atmosfera de azoto flui. Podem usar-se tempe38 raturas mais baixas ou tempos de aquecimento menores para se obter uma infiltração completa quando se aumentar o teor de magnésio da liga e/ou do pré-molde. Também, para um dado teor de magnésio, a adição de certos elementos de liga auxiliares, tais como o zinco, permite o uso de temperaturas mais baixas. Por exemplo, um teor de magnésio no metal da matriz no extremo inferior da faixa operável, por exemplo, de cerca de 1 a 3 por cento, em peso, pode ser usado em conjunto com pelo menos uma das seguintes condições: uma temperatura de processamento acima da mínima, uma elevada concentração de azoto, ou um ou mais elementos de liga. Se não se adicionar nenhum magnésio ao pré-molde, são preferidas as ligas contendo cerca de 3 a 5 por cento, em peso, de magnésio, com base na sua utilidade geral, numa ampla variedade de condições do processo, preferindo-se pelo menos cerca de 5 por cento quando se utilizam temperaturas mais baixas e tempos mais curtos. Podem usar-se teores de magnésio acima de cerca de 10 por cento, em peso, da liga de alumínio para moderar as condições de temperatura reque ridas para a infiltração.

teor de magnésio pode ser reduzido guando usado em conjunto com um elemento de liga auxiliar, mas esses elementos apenas desempenham uma função auxiliar e são usados juntamente com pelo menos a quantidade mínima de magnésio atrás especificada. Por exemplo, não havia substancialmente qualquer infiltração de alumínio nominalmente puro formando liga com apenas 10 por cento de silício

a 1000° C num leito de 39 Crystolon (carboneto de silício puro a 99%, da Norton Co.) com granulometria de 500 mesh. Mas, na presença de magnésio,verificou-se que o silício promove o processo de infiltração. Como outro exemplo, a quantidade de magnésio varia se ele for 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 proporcionar 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 magnésio e estando na presença de uma atmosfera de azoto substancialmente púro, se infiltra espontaneamente metal da matriz no pré-molde. No caso de um pré-molde de alumina, a quantidade de magnésio necessária para se obter 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 à obtida no pré-molde de carboneto de silício que se acabou de examinar.

Faz-se também notar gue é possível fornecer ao sistema espontâneo precursor de intensificador de infil. tração e/ou intensificador de infiltração numa superfície da liga e/ou numa superfície do pré-molde ou material de enchimento e/ou no interior do pré-molde ou material de enchimento antes da infiltração do metal da matriz no mate rial de enchimento ou pré-molde (isto é, pode não ser neces sário que o intensificador de infiltração ou o precursor de intensificador de infiltração fornecido forme uma liga com o metal da matriz mas, pelo contrário, simplesmente fornecido ao sistema espontâneo). Se se tiver aplicado o magnésio a uma superfície do metal da matriz, pode ser pre ferido gue a referida superfície seja a superfície que está mais perto ou, de preferência, em contacto com a massa per meável de material de enchimento ou vice-versa; ou esse magnésio poderia ser misturado a pelo menos uma porção do pré-molde ou material de enchimento. Além disso, é ainda possível que se utilize uma combinação da aplicação na superfície, da formação da liga e da colocação do magnésio em pelo menos uma porção do pré-molde. Essa combinação da aplicação de intensificador (es) de infiltração e/ou precursor (es) de intensificador de infiltração poderia ter como resultado uma diminuição da oercentagem total em peso, de magnésio necessário para promover a infiltração do metal

alumínio da matriz no pré-molde, bem como a obtenção de temperaturas mais baixas a oue se verifique a infiltração. Além disso, poderia também minimizar-se a quantidade 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 também afecta a extensão de nitretação do metal da matriz a uma dada temperatura. Por exemplo, podem usar-se elementos de liga auxiliares, tais como, o zinco ou o ferro incluídos na liga ou colocados numa superfície da liga, para baixar a temperatura de infiltração e, diminuir assim a quantidade da formação de nitreto, ao passo que pode usar-se o aumento da concentração de azoto para promover a formação de nitreto.

A concentração de magnésio na liga e/ou colocado numa superfície da liga e/ou combinado no material de enchimento ou pré-molde também tende a afectar a extensão de infiltração a uma dada temperatura. Consequentemente, em alguns casos em que pouco ou nenhum magnésio á posto directamente em contacto com o pré-molde ou material de enchimento, pode ser preferido incluir na liga pelo menos cerca de 3 por cento, em peso, de magnésio. Teores de liga inferiores a essa quantidade, tais como 1 por cento, em peso, de magnésio, podem requerer temoeraturas do processo mais elevadas ou um elemento de liga auxiliar para a infiltração. A temperatura necessária para efectuar o processo de infiltração espontânea segundo a presente invenção pode ser mais baixa: (1) quando se aumen tar apenas o teor de magnésio da liga, por exemplo para pelo menos cerca de 5 por cento, em peso; e/ou (2) guando se misturarem componentes de liga com a massa permeável do material de enchimento ou pré-molde; e/ou (3) guando estiver presente na liga de alumínio outro elemento, tal como zinco ou ferro. A temperatura também pode variar com diferentes materiais de enchimento. Em geral, verificar-se-à a infiltração espontânea progressiva a uma temperatura do processo de pelo menos cerca de 375° C e, de preferência, a uma temperatura do processo de pelo menos cerca de 750° C-800° C. Temperaturas geralmente acima de 1200° C parece não beneficiarem o processo, tendo-se verificado ser particularmente útil, uma gama de temperaturas de cerca de 675° C a cerca de 1200° C. Contudo, como regra geral, a temperatura de infiltração espontânea é uma temperatura superior ao ponto de fusão do metal da matriz, mas abaixo da temperatura de volatilização do metal da matriz. Além disso, a temperatura de infiltração espontânea deve ser inferior ao ponto de fusão do material de enchimento. Alem disso, ainda à medida cue se aumenta a temperatura, aumenta a tendência para formar um produto de reacção entre o metal da matriz e a atmosfera infiltran te (por exemplo, no caso do metal da matriz de alumínio e uma atmosfera infiltrante de azoto, pode formar-se nitreto de alumínio). Um tal produto da reaccão pode ser dese-

jável ou indesejável, coforme a aplicação pretendida do corpo compósito com matriz de metal. Adicionalmente, util_i za-se tipicamente o aquecimento por resistência elétrica 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, uma massa de material de enchimento ou um pré-molde entra em contacto com alumínio fundido na presença de pelo menos um gás contendo azoto, em algum momento durante o processo.

gás contendo azoto pode ser fornecido mantendo um fluxo contínuo de gás em contacto com o material de enchimento ou o pré-molde e/ou o metal da matriz de alumínio fundido. Embora o caudal de gás contendo azoto não seja crítica, é preferido que esse caudal seja suficiente para compensar qualquer perda de azoto da atmosfera devido à formação de nitreto na matriz de liga, e também para impedir ou inibir a incursão de ar, que pode ter uma acção oxidante no metal fundido.

O 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 da matriz fundida com o material de enchimento e as propriedades pretendidas para o produto compósito final. Por exemplo,

- /

quando o alumínio for o metal da matriz, os materiais de enchimento adequados incluem (a) óxidos, por exemplo alumina; (b) carbonetos, por exemplo, carboneto de silício;

(c) boretos, por exemplo, dodecarboreto de alumíno e (d) nitretos, por exemplo, nitreto de alumínio. Se houver uma tendência para o material de enchimento reagir com o metal da matriz de alumínio fundido, isso poderia ser compensado minimizando o tempo de infiltração e a temperatura ou proporcionando um revestimento não reactivo no material de enchimento. 0 material de enchimento pode compreender um substrato, tal como carbono ou outro material não cerâmico, levando um revestimento cerâmico para proteger o substrato do ataque ou da degradação. Os revestimentos cerâmicos adequados incluem óxidos, carbonetos, boretos e nitretos.

As cerâmicas preferidas para utilizar no presente processo incluem a alumina e o carboneto de silício sob a forma de partículas, plaquetas, filamentos emaranhados e fibras.

As fibras podem ser descontínuas (sob a forma cortada) ou sob a forma de filamento contínuo, tais como estopas de multifilamentos. Além disso, o material de enchimento ou o pré-molde podem ser homogéneos ou heterogéneos.

Descobriu-se também que certos materiais de enchimento apresentam uma melhor infiltração em relação aos materiais de enchimento tendo uma composição química semelhante. Por exemplo, corpos de alumina triturada feitos pelo processo descrito na patente americana X24.713.36O intitulada Novel Ceramic Materials and Methods of Making Same publicada em 15 de Dezembro de 1937, em nome de Marc

S. Newkirk et al, apresentam propriedades de infiltração /

ί

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 N2 319 397, intitulado Composite Ceramic Articles and Methods of Making Same em nome de Marc S. Newkirk et al_z também apresentam proprie dades de infiltração desejáveis em relação aos produtos de alumina comercialmente disponíveis. Os objectos do pedido de patente publicado e do pedido de patente copendente são aqui expressamente incorporados por referência. Especificamente, descobriu-se que a infiltração completa de uma massa permeável de material cerâmico pode ocorrer a temperaturas de infiltração mais baixas e/ou em tempos de infi_l tração menores utilizando um corpo triturado ou reduzido a partículas produzido pelo processo do pedido de patente e da oatente americanos atrás mencionados.

As dimensões e a forma do material de enchi mento podem ser quaisquer necessárias para obter as proprie dades desejadas no compósito. Assim, o material pode estar sob a forma de partículas, filamentos emaranhados, plaquetas ou fibras, visto que a infiltração não é limitada pela forma do material de enchimento. Outras formas, tais como esferas, túbulos, peletes tecido de fibras refractárias e similares podem ser usadas. Além disso, as dimensões do material não limitam a infiltração, embora possam ser neces sários uma temperatura mais alta ou um período de tempo maior para a infiltração completa de uma massa de partícu6 las mais pequenas do que para partículas maiores. Além disso, a massa de material de enchimento (moldada para formar um pré-molde) a infiltrar deve ser permeável (isto é, permeável ao metal da matriz fundido e à atmosfera infiltrante) .

processo de formação de compósitos com matriz de metal segundo a presente invenção por não ser dependente do uso de pressão para forçar ou comprimir metal da matriz fundido para o interior de um pré-molde ou uma massa de material de enchimento, permite a produção de compósitos com matriz de metal substancialmente uniforme com uma elevada percentagem, em volume, de material de enchimento e uma baixa porosidade. Podem conseguir-se maiores percentagens, em volume, de material de enchimento utilizando uma massa inicial de material de enchimento com menor porosidade. Maiores percentagens, em volume, podem também ser obtidas, se a massa de material de enchimento for compactada ou tornada mais densa de outro modo, desde que a massa não seja convertida nem numa massa compacta com poros fechados, nem numa estrutura completamente densa, que impediria a infiltração pela liga fundida. Preferem-se percentagens, em volume, de material de enchimento da ordem de 40 a 50 por cento, para a termomodelação segundo a presente invenção. Para tais percentagens, em volume, o compósito infiltrado mantém, ou mantém substancialmente, a sua forma, facilitando assim o processamento secundário. Podem no entanto usar-se cargas ou percenta-/

gens, em volume, de partículas maiores ou menores conforme a carga do compósito final desejado, depois da termomodelação. Além disso, podem usar-se processos para reduzir as cargas de partículas em relação com os processos de termomodelação segundo a presente invenção, para se obterem menores cargas de partículas.

Foi observado gue, para a infiltração de alumínio e a formação de uma matriz em torno de um material de enchimento cerâmico, o molhamento do material de enchimento cerâmico pelo metal da matriz de alumínio pode ser uma parte importante do mecanismo de infiltração. Além disso, as temperaturas de processamento baixas, verifica-se uma nitretação desprezível ou mínima do metal, resultando daí uma fase descontínua mínima de nitreto de alumí. nio disperso na matriz de metal. Contudo, quando nos apro ximamos do extremo superior da faixa de temperatura, torna-se mais provável a nitretação do metal. Pode assim con trolar-se a quantidade da fase de nitreto na matriz de me tal 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 alu mínio 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 exten são da formação de nitreto de alumínio a uma dada tempera

- 4S Ζ tura aumenta quando diminui a capacidade da liga para molhar o material de enchimento e quando aumenta a concen tração de azoto da atmosfera.

pois possível, pré-determinar a constituição da matriz de metal durante a formação do compósito para conferir certas caracteristicas ao produto resultante. Para um dado sistema, podem escolher-se as condições do processo para controlar a formação de nitreto. Um produto compósito contendo uma fase de nitreto de alumínio apresentará certas propriedades que podem ser favoráveis para, ou melhorar a eficácia do produto. Além disso, a gama de temperaturas para a infiltração espontânea com uma liga de alumínio pode variar com o material cerâmico usado. No caso de alumina como material de enchimento, a temperatura para a infiltração não deve de preferência exceder cerca de 1000° C, se se desejar que a ductilidade da matriz não seja reduzida pela formação significativa de nitreto. Contudo, podem usar-se, temperaturas superiores a 10C0° C, se se desejar produzir um compósito com uma matriz menos dúctil e mais rígida. Para infiltrar car boneto de silício, podem usar-se temperaturas mais elevadas, de cerca de 12C0° C, visto que a liqa de alumínio se nitrifica 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, á oossível usar um reservatório de metal da matriz para assegurar a infiltração completa

9 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 do reser vatório. Os metais fundidos são frequentemente muito miscíveis uns com os outros, donde resultaria a mistura do metal do reservatório com a primeira fonte de metal da matriz, desde que se desse um tempo apropriado para que se verificasse a mistura. Assim, utilizando um metal do reser vatório 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 requesitos operacionais e, desse modo, pré-determinar as propriedades do compósito com matriz de metal.

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

-/ < .w material, composto, elemento, composição ou similar oue, nas condições do processo segundo a presente invenção, mantém uma certa integridade, não é volátil e, de preferên cia, é permeável ao gás usado com o processo, bem como possa localmente inibir, interromper, interferir com, impe dir ou similar, a infiltração contínua ou cualguer outra espécie de movimento para além do limite de superfície defi nido do material de enchimento cerâmico. Cs meios de barreira podem ser usados durante a infiltração espontânea ou em quaisouer moldes ou outros acessórios utilizados em ligação com a termomoldação do compósito com matriz de metal infiltrado espontaneamente, como se descrevera com mais pormenor mais adiante.

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

Barreiras adeouadas parficularmente utili51 ( >

záveis para as ligas da matriz de alumínio são as que contêm carbono, especialmente a forma alotrópica cristalina de carbono conhecida como grafite. A grafite é essencialmente não molhável pela liga de alumínio fundida, nas condições de processo descritas. Uma grafite particuiarmente preferida é um produto de fita de grafite que é vendido (r) sob a marca comercial Grafoil , registada pela Union Carbide. Esta fita de grafite apresenta características de vedação que impedem a migração de liga de alumínio fundido para além do limite de superfície definido do material de enchimento. Esta fita de grafite é também resistente ao (R) calor e quimicamente inerte. O material de grafite Grafoil^ é flexível, compatível, moldável e elástica. Pode ser feito em várias formas para se adaptar a qualquer aplicação da barreira. Contudo, o meio de barreira de grafite pode ser empregado como uma pasta ou suspensão ou mesmo como uma película de tinta em torno de e no limite do material (rí de enchimento ou pré-molde. GrafoiF é particuiarmente preferido porque se encontra na forma de uma folha de gra fite flexível. Em uso, essa grafite semelhante a papel é simplesmente modelada em torno do material de enchimento ou oré-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 (Ti3 )), que são em geral não molháveis pela liga de metal de alumínio fundido em certas condicõcs do oroces so empregadas usando esse material. Som uma barreira deste tipo, a temperatura do processo não deve exceder cerca de 875° C, pois, de outro medo, o material de barreira torna-se menos eficaz, verificando-se de facto, com o aumento da temperatura a infiltração na barreira. Os boretos de um metal de transição encontram-se tipicamente numa forma de partículas (1-30 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 de alumínio em azoto incluem compostos orgânicos de pequena volatibilidade aplicados como uma película ou camada na superfície externa do material de enchi mento 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 fuligem de carbono. 0 composto orgânico pode ser aplicado por meios convencionais, tais como, pintura, pulverização, imersão, etc.

Além disso, materiais em partículas finamente triturados, podem funcionar como barreira, desde que a infiltração do material em partículas se verifique ccm uma velocidade menor que a taxa de infiltração do material de enchimento.

Assim, o meio de barreira pode ser aplicado por qualquer meio adequado, por exemplo cobrindo o limite

de superfície definido com uma camada do meio de barreira. Essa camada de meio de barreira pode ser aplicada por pintura, imersão, serigrafia, evaporação ou aplicando de outro modo o meio de barreira sob a forma de líquido, suspensão ou pasta, ou por deposição de um meio de barreira vaporizável, ou simplesmente pela deposição de uma camada de meio de barreira sólido, em partículas, ou pela aplicação de uma folha fina sólida ou película de meio de barreira no limite de superfície definido. Com o meio de barreira no seu lugar, a infiltração espontânea termina substancial mente quando a infiltração do metal da matriz atinçir o limite de superfície definido e entrar em contacto com o meio de barreira.

Depois de obtida a infiltração espontânea, de acordo com uma das várias formas de realização alternativas atrás descritas, pode efectuar-se o processamento secundário do compósito com matriz de metal obtido segundo a presente invenção. Esse processamento secundário é realizado à temperatura a que se completa a fusão do compósito ou a uma temperatura mais elevada. Especificamente, e de maneira importante, verificou-se que o compósito com, matriz de metal, quando substancialmente à temperatura a cue se completa a sua fusão, mantém a sua forma como um corpo coerente, comportando-se essencialmente como um mate rial reológico. Assim, ao contrário do que intuitivamente poderia esperar-se, o metal da matriz não sai ou circula oara fora do material de enchimento cuando neste estado, obtendo-se um corpo capaz de sofrer o processamento secun dário. Assim, o processamento secundário do tipo associado com metais ou compostos intermetálicos por ser realizado em compósitos com matriz de metal infiltrados espontaneamente, se aplicarem esforços de corte suficientemente fortes ao corpo compósito aquecido para o fazer fluir. Especificamente, a termomoldação do compósito com matriz de metal infiltrado espontaneamente é possível aproximadamente à temperatura a que se completa a fusão do compósito ou superior (sendo o limite superior da temperatura a temperatura a que o compósito substancialmente não é mais capaz de manter a sua forma, como atrás se discutiu). Em sistemas que utilizam liga de alumínio como metal da matriz, verificou-se gue o compósito resultante mantém a sua forma a temperaturas gue oscilam desde pelo menos 70C° C a 900° C .

A termomoldação com compositos com matriz de metal infiltrados espontaneamente pode ser realizada imediatamente após a infiltração, uma vez que o composto arrefeça até a sua temperatura Lm alternativa, o compósito pc um sólido s, subsequentements, tura a aue se completa a fusão sequentemente, podem formar-se de comoósito de dimensões rela dos espontaneamente, que podem cessamento secundário oor tsrm a oue se completa a fusão.

is ser arrefecido até ser re aqueci do até uma. tempera para a termomoldação. Conpequenas barras ou lingotes úvamenfe grandes, infiltradepeis ser usados para pro j-.oldacêo oara obter um cor

po ou configuração desejados. Além disso, podem formar-se corpos intermediários com uma forma e dimensões desejados por infiltração espontânea (por exemplo, utilizando moldes, pré-moldes ou barreiras apropriados, oue são, mais tarde, convertidos, por processos de termomoldação, num corpo com a forma e caracteristicas desejadas). 2m qualquer caso, as propriedades do produto final são governadas pelo processo de infiltração espontânea particular realizado (por exemplo, o tipo e a quantidade de metal da matriz e ligas, o tipo e a quantidade de material de enchimento, as tempera turas do processo, o tempo do processo, o tipo e a quantidade de intensificador da infiltração e/ou de precursor do intensificador da infiltração e/ou da atmosfera infiltrante , etc).

A termomoldação de compósitos com matriz de metal oferece vantagens significativas que não podem ser obtidas por infiltração espontânea no interior de um molde ou de um pré-molde. Primeiro, porque o tempo de processamento secundário é curto, quando comparado com o tempo necessário para a infiltração espontânea, podem usar-se moldes permanentes sem efeitos prejudiciais sobre o molde. Além disso, obtém-se uma grande flexibilidade das formas e configurações, visto que não se encontram as limitações devidas às configurações do molde e outras análogas. Por exemplo, poderiam produzir-se grandes folhas finas de compósito por processos de laminagem, as quais podem subsequentemente ser moldadas, cortadas.com punções, dobradas, prensadas, laminadas, etc. Assim podem obter-se formas e

configurações gue até agora só eram obtidas com metais, compostos intermetálicos, plásticos ou semelhantes, com o compósito com matriz de metal segundo a presente invenção pelo processo de termomoldação.

Além disso, submetendo o compósito infiltrado espontaneamente ao processamento secundário, não são em geral aumentados os defeitos ou falhas dc material e, em muitos casos, são dimonuídos. Especificamente, aquecendo certos compósitos com matriz de aiuminio até temperaturas que oscilam entre 7C0° C a 900° C durante tempos que variam de 0,5 hora a 1 hora, observou-se a redução ou colapso dos poros que estavam presentes na amostra original antes do aquecimento. Além disso, pode verificar-se a restauração das fendas, se o compósito for adequadamente confinado durante o reaquecimento. 3, porém, importante, que o compósito seja riçorosamente confinado, por exemplo num recipiente, barreira ou molde, para evitar a fissuração e facilitar a restauração das fendas.

Embora a termomoldação possa ser realizada numa atmosfera de oxigénio, verificou-se que da oxidação pode resultar uma certa degradação do compósito. Especificamente, películas, de ácido podem ficar presas no compósito remoldado, introduzindo falhas e pontos fracos. Consequentemente , numa forma de realização preferida da presente invenção, a termomoldação é realizada numa atmosfera inerte ou de azoto, por exemplo, sob uma camada de azoto.

Embora possam ser usados vários materiais de enchimento segundo a presente invenção, verificou-se que os materiais de enchimento com qranulometria mais fin^ por exemplo 1000 grit, são mais fluentes e mais facilmente termomoldados que os materiais de enchimento com grãos mais grosseiros, por exemplo 220 grit. Além disso, verificou-se que o carboneto de silício como material de enchimento, é mais trabalhável nos processos de termomoldação que a alumina.

As propriedades do compósito termomoldado também podem ser alteradas por vários tratamentos térmicos realizados no mesmo. Por exemplo, de maneira análoga à dos metais, as propriedades podem ser alteradas por arrefecimento rápido do compósito, quando se completar a termomoldação. Tem de ter-se o cuidado de evitar os efeitos adversos desse arrefecimento rápido, tais como a contracção por solidificação ou a fissuração.

Podem obter-se acabamentos de superfície ex celentes por termomoldação como se descreve com mais porme nor nos Exemplos seguintes. Em muitos casos, obtêm-se acabamentos de superfície muito superiores aos acabamentos que podem obter-se por infiltração espontânea em moldes ou barreiras.

Nos Exemplos que se seguem imediatamente es tão incluídas várias demonstrações da presente invenção. Contudo, esses Exemolos devem ser considerados como sendo

ilustrativos e não limitativos do escopo da presente inven ção, como é definido nas reivindicações anexas.

Exemplos 1-4

Os Exemplos seguintes demonstram a possibilidade de termomoldar um compósito com matriz de metal infiltrado espontaneamente por reaquecimento até aproximadamente uma temperatura a que se completa fusão e nova modelação do compósito para obter uma forma moldada.

Formaram-se quatro compósitos diferentes com matriz de metal infiltrados espontaneamente com a fina lidade de determinar a possibilidade de termomoldar vários compósitos de acordo com o conjunto ilustrado esquematicamente na fig. 1. Em cada caso, colocou-se um material de enchimento (1) em um recipiente (2) de aço inoxidável 315, © que foi forrado com Permafoil da T.T. America Inc., que funcionou como recipiente não reactivo. Colocou-se depois uma liga de metal da matriz (3) no topo do material de enchimento. Colocou-se depois o conjunto (10) num recipiente maior de aço inoxidável 315, vedado com folha de cobre e colocou-se num forno aquecido por resistência.

As ligas e os materiais de enchimento usados em cada um dos Exemplos de 1 a 4 estão resumidos nc Quadro 1. Especificamente, ncs Exemplos 1 e 2 usaram-se misturas de materiais de enchimento constituídos por alumina (Alumina C-75-RG da Alcan Chemical Products) e 5 por cento de magnésio (325 mesh), utilizando no Exemplo 1 uma

aiumina de 220 grit e no Exemplo 2 uma aiumina de 1000 grit. Em ambos os Exemplos 1 e 2 usou-se uma liga normali zada de alumínio 520 como metal da matriz.

Nos Exemplos 3 e 4 usaram-se misturas de ma terial de enchimento constituídos por carboneto de silício (SiC-39 Crystolon da Norton Company) e 2 por cento de magnésio (325 mesh), usando-se no Exemplo 3 carboneto de silí. cio de 220 grit. e no Exemplo 4 carboneto de silício de 1000 grit.

Colocaram-se depois os conjuntos no forno, purificados com gás azoto e alimentados com gás azoto com um caudal de cerca de 2 litros/minuto. Elevou-se a tempera tura do forno até aproximadamente 750° C, durante 2 horas, manteve-se a 750° C, durante cerca de 10 horas e baixou-se durante cerca de 2 horas até à temperatura ambiente e ret_i rou-se.

Reaqueceram-se os compósitos formados de acordo com o procedimento anterior até aproximadamente 750° C, num cadinho de mulite pré-aquecido, em ar, até atingir a temperatura a que se completa a fusão. Retiraram-se então os compósitos, colocaram-se num recipiente de moldação (isto é, um molde para fundição de precisão feito com a forma do negativo de um copo para beber de po liestireno) com uma espátula, e, modelaram-se com a forma do molde batendo com uma barra de grafite no topo dos com pósitos. As amostras foram, em seguida, arrefecidas brus- 50/ rio.

camente em água à temperatura ambiente.

Todos os compósitos eram trabalháveis sob a acção da força da barra de grafite. Verificou-se gue os compósitos com material de enchimento com maior granulome tria (isto é, os compósitos de 1000 grit dos Exemplos 2 e 4) eram mais trabalháveis que os compósitos com menor gra nulometria (isto é, 220 grit). Adicionalmente, os sistemas com material de enchimento de carboneto de silício eram mais trabalháveis do que os sistemas com material de enchi mento de alumina.

As fig. 2 e 3 são fotografias do acabamento de superfície obtido a partir de um dos compósitos termomoldados. Como é evidenciado pelas fotografias, obtiveram-se excelentes acabamentos de superfície, os quais reprodu ziam as características do copo de poliestireno de que foi feito molde para fundição de precisão. A fig. 2 mostra a parte inferior do compósito moldado, no gual a inscrição do copo original é clara e legível. A fig. 3 mostra a configuração em ninho de abelha do poliestireno, tal como é reproduzida no compósito.

A inspecção visual dos compósitos e os cortes transversais verificou que, geralmente, a extensão dos defeitos ou falhas no compósito termomoldado não era maior que no compósito original antes do processamento secundáEncontrou-se uma certa contracção devida à

solidificação dos compósitos, embora essa contracção fosse, provavelmente, o resultado de um arrefecimento brusco insuficiente. Além disso, formaram-se películas de óxido, as quais tendiam a ficar retidas no compósito re-moldado. Essas películas de óxido, porém, foram atribuídas ao reaquecimento do compósito e à eficácia do processamento secundário numa atmosfera oxidante.

Os Exemplos de 1 a 4 demonstram assim que os^compósitos com matriz de metal infiltrados espontaneamente podem ser termomoldados num processo secundário, en quanto estão a uma temperatura a que a fusão é c ompleta.

Claims

REIVINDICAÇÕES

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

proporcionar um material de enchimento substancialmente não reactivo;

infiltrar espontaneamente pelo menos uma porção do material de enchimento com metal da matriz fundido para formar uma massa infiltrada; e termo-modelar a massa infiltrada.
2. - Processo de acordo con; a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de proporcionar uma atmosfera infiltrante em comunicação com o ma- terial de enchimento e/ou o metei da matriz durante pelo menos uma porção do período de infiltração.
3. - Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de fornecer um precursor de intensificador da infiltração e/ou um intensificador da infiltração ao metal da matriz, e/ou ao material de enchimento e/ou à atmosfera infiltrante.
4. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de fornecer um precursor de intensificador da infiltração e/ou um intensificador da infiltração ao metal de matriz e/ou ao material de enchimento.
5. - Processo de acordo corn a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração e/ou o intensificador da infiltração serem fornecidos por uma fonte ezterna.
6. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de estabelecer 0 contacto de pelo menos uma porção do material de enchimento com 0 precursor de intensificador da infiltração e/ou o intensificador da infiltração durante pelo menos uma parte do /

período de infiltração.
7.- Processo de acordo com a reivindicação 3» caracterizado pelo facto de o intensificador da infiltração ser formado pela reacção de um precursor de intensificador da infiltração e pelo menos uma espécie escolhida no grupo formado pela atmosfera infiltrante, o material de enchimento e o metal da matriz.
8. - Processo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo facto de, durante a infiltração, o precursor de intensificador ds infiltração se volatilizar.
9, - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração volatilizado reagir para formar um produto da reacção em pelo menos uma porção do material de enchimento.
10. - Processo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo facto de o produto da reacção ser pelo menos parcialmente redutível pelo metal da matriz fundido.
11. - Processo de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo facto de o produto da reacção revestir pelo menos uma porção do material de encnimento.

-6612. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o material de enchimento ser constituído por um pré-molde.
13. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de definir um limite de superfície do material de enchimento com uma barreira, infiltrando-se o metal da matriz espontaneamente até à barreira.
14.- Processo de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo facto de a barreira compreender um material escolhido no grupo formado pela grafite e o diboreto de titânio .
15. - Processo de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo facto de a barreira ser substancialmente não molhável pelo metal da matriz.
16. - Processo de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo facto de a barreira compreender pelo menos um material que é suficientemente permeável para permitir a comunicação entre uma atmosfera infiltrante e o metal da matriz e/ou o material de enchimento, e/ou o intensificador da infiltração e/ou o precursor de intensificador da infiltração.
17.- Processo de acordo com a reivindicação 1, ' caracterizado pelo facto de o material de enchimento compreender pelo menos um material escolhido no grupo formado por pós, flocos, plaquetas, microesferas, filamentos, emaranhados pérolas, fibras, partículas, mantos de fibras, fibras cortadas, esferas, grânulos, túbulos e tecidos refractários.
18.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o material de enchimento ter uma solubilidade limitada no metal da matriz fundido.
19·- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o material de enchimento compreender pelo menos um material cerâmico.
20.- Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o metal da matriz compreender alumínio, o precursor de intensificador da infiltração compreender pelo menos um material escolhido no grupo formado pelo magnésio, o estrôncio e o cálcio, e a atmosfera infiltrante compreender azoto.
21.- Processo de acordo com s reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o metal da matriz compreender alumínio, o precursor de intensificador da infiltração com- preender zinco e a atmosfera infiltrante compreender oxigénio.
22. - Processo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo facto de o intensificador da infiltração e/ou o precursor de intensificador da infiltração serem proporcionados num limite entre o material de enchimento e o metal da matriz.
23. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração formar uma liga com o metal da matriz.
24. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o metal da matriz compreender alumínio e pelo menos um elemento de liga escolhido no grupo formado pelo silício, o ferro, o cobre, o manganês, o crómio, o zinco, o cálcio, o magnésio e o estrôncio.
25. - Processo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração e/ou o intensificador da infiltração serem, proporcionados cuer no metal da matriz çuer no material de enchimento.

-6926.- Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração e/ou o intensificador da infiltração serem proporcionados no metal da matriz, no material de enchimento e na atmosfera infiltrante.
27.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de a temperatura durante a infiltração espontânea ser superior ao ponto de fusão do metal da matriz, mas inferior â temperatura de volatilização do metal da matriz e ao conto de fusão do material de enchimento.
28.- Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo facto de a atmosfera infiltrante compreender uma atmosfera escolhida no grupo formado pelo oxigénio e o azoto.
29.- Processo de acorde com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração compreender um material escolhido nc grupo formado pelo magnésio, o estrôncio e c cálcio.
30.- Processo caracterizado pelo facto alumínio’-e o material de de acordo com. a reivindicação 1, de o metai da matriz compreender enchimento comrreender um material escolhido no grupo formado pelos óxidos, os carbonetos, os boretos e os nitretos.
31. - Processo de acordo com as reivindicações 1,

3 ou 4, caracterizado pelo facto de a massa infiltrada ser arrefecida até aproximadamente à temperatura a çue se completa a fusão, antes da termo-modelação.
32. - Processo de acordo com as reivindicações 1,

3 ou 4, caracterizado pelo facto de a massa infiltrada ser arrefecida e depois reaquecida até pelo menos aproximadamente à temperatura a que se completa a fusão, antes da termo-modelação .
33·- Processo de acordo com as reivindicações 1,

3 ou 4, caracterizado pelo facto de a massa infiltrada ser modelada com uma forma intermediária, arrefecida e depois reaquecida até pelos menos à temperatura a que se complete a fusão antes da termo-modelação.
34.- Processo de acordo com as reivindicações 1,

3 ou 4, caracterizado pelo facto de a massa infiltrada ser termo-modelada a uma temperatura acima da temperatura a que se completa a sua fusão.
35·- Processo de acordo com as reivindicações -1,

31, 32, 33 ou 34, caracterizado pelo facto de a fase de termo-modelação compreender pelo menos uma fase escolhida no grupo formado pela laminagem, a extrusão, a moldação com matrizes, o forjamento, a estampagem e a prensagem.
36. - Processo de acordo com as reivindicações 1,

31, 32, 33 ou 34, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase da tratamento térmico após a realização da fase de termo-modelação.
37. - Processo de acordo com as reivindicações 1,

31, 32, 33 ou 34, caracterizado pelo facto de a fase de termo-modelação ser realizada numa atmosfera escolhida no grupo formado pelo azoto e uma atmosfera inerte.
38. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pele facto de o compósito com matriz de metal resultante ser constituído por um material em folha.