PT92855A - Processo para a ligacao de um corpo composito de ceramica a um segundo corpo - Google Patents

Description

LAIXIDE TECHIOLOGY COIPAIY, LP "PROCESSO PARA A LIGAÇÃO DE UM CORPO COMPOSITO DE CERÃ MICA A UM SEGUIDO CORPO"

Campo da Invenção A presente invenção refere-se em geral a um processo novo para a fabricação de um corpo compósito e aos produtos novos fabricados por esse processo. Mais particular mente, a presente invenção refere-se a um processo para a produção de um corpo auto-suportado que compreende um ou mais compostos contendo boro, por exemplo um boreto ou um boreto e um carboneto, por infiltração reaotiva de metal original fundido no interior de um leito ou massa contendo carboneto de boro e, optativamente, um ou mais materiais de enchimento inertes e permitindo que metal original residual ou em excesso fique ligado ao corpo auto-suportado formado. 0 metal residual ou em excesso pode ser usado para formar uma ligação entre o corpo compósito formado e qualquer outro corpo (tal como um metal ou um corpo cerâmico).

Fundamento da presente invenção

Tem havido nos anos recentes um interesse crescente pela utilização das cerâmicas em aplicações estruturais nas quais historicamente eram usados os metais. 0 ím- - 2 -

peto para este interesse tem sido a superioridade relativa das cerâmicas» quando comparadas com os metais, no que respeita a certas propriedades, tais como a resistência à corrosão, a dureza, a resistência ao desgaste, o módulo de elasticidade e as potencialidades refractárias.

Contudo, uma limitação muito importante para a utilização das cerâmicas para esses fins ê a possibilidade de realização e o custo de produção das estruturas cerâmicas desejadas. Por exemplo, a produção de corpos cerâmicos de boreto pelos processos de prensagem a quente, de sinteri-zação com reacção e de prensagem a quente com reacção é bem conhecida. Embora se tenha obtido um êxito limitado na produção de corpos cerâmicos de boreto de acordo com os processos atrás discutidos, há ainda uma necessidade de um processo mais eficiente e económico para preparar materiais densos contendo boreto.

Além disso, uma segunda limitação muito impor tante na utilização de cerâmieas para aplicações estruturais é que as cerâmicas geralmente apresentam uma falta de defor-mabilidade (isto ê, tolerância aos danos ou resistência à fractura). Essa falta de resistência à fractura tende a ter como consequência a falha súbita, facilmente induzida e catastrófica das cerâmicas, em aplicações que implicam tensões de tracção bastante moderadas. Esta falta de resistência à fractura tende a ser partieularmente usual nos corpos cerâmicos monolíticos de boreto.

Uma abordagem para solucionar o problema atrás referido foi a tentativa de utilizar as cerâmicas em combinação com metais, por exemplo, nos chamados "cerníeis" ou compó- sitos com matriz de metal. 0 objectivo desta abordagem conhe cida consiste em obter uma combinação das melhores proprieda des da cerâmica (por exemplo a dureza e/ou a rijeza) e as me lhores propriedades do metal (por exemplo a ductilidade). Em bora tenha havido algum êxito genérico na área dos "cermets" na produção de compostos de boreto, continua a subsistir a necessidade de processos mais eficientes e económicos para preparar materiais contendo boreto.

Discussão dos pedidos de patente relacionados

Muitos dos problemas atrás tratados associados com a produção de materiais contendo boreto foram considerados no pedido de patente de invenção norte-americana cqpendente IP 073 533* depositado nos nomes de Danny R. White, Michael K. Aghajanian e T. Bennis Claar, em 15 de Julho de 1987, e intitulado "Proeess for Preparing Self-Supporting Bodies and Products Made IPhereby".

Resumindo a descrição do pedido de patente de invenção norte-americana H2 073 533, os corpos cerâmicos auto-suportados são produzidos utilizando um processo de infiltração do metal original e reacção (isto ê, uma infiltração reactiva) na presença de um carboneto de boro. Em particular, metal original fundido infiltra e reage com um leito ou massa de carboneto de boro, podendo o leito ser constituí do inteiramente por um carboneto de boro, resultando daí um corpo auto-suportado que compreende um ou mais compostos do metal original contendo boro, incluindo os compostos um boreto do metal original ou um carboneto de boro e do metal original, ou ambas as coisas, podendo tipicamente também in- cluir um carboneto do metal original. Descreve-se igualmente que a massa de carboneto de boro que deve ser infiltrada pode também eonter um ou mais materiais de enchimento inertes misturados com o carboneto de boro. Por conseguinte, combinando um material de enchimento inerte, o resultado será um corpo compósito com uma matriz produzido pela infiltração reactiva do metal original, compreendendo a referida matriz pelo menos um composto contendo boro e podendo a matriz incluir também um carboneto do metal original, embebendo a matriz o material de enchimento inerte. Faz-se ainda notar que o corpo compósito final em qualquer das formas de realização atrás referidas (isto é, com ou sem material de enchimento) pode incluir um metal residual como pelo menos um constituinte metálico do metal original inicial.

De um modo geral, no processo apresentado no pedido de patente de invenção norte-americana ΪΤ2 073 533» coloca-se uma massa que compreende carboneto de boro Junto de ou em contacto com um corpo de metal ou de liga de metal fundido, que ê fundido num ambiente substancialmente inerte, numa gama particular de temperaturas. 0 metal fundido infil-tra-se na massa de carboneto de boro e reage com o carboneto de boro para formar pelo menos um produto da reacção. 0 carboneto de boro ê redutível, pelo menos parcialmente, pelo metal original fundido, formando assim o composto do metal original contendo boro (por exemplo um boreto do metal original e/ou um composto de boro nas condições de temperatura do processo). Tipicamente, produz-se também um carboneto do metal original e, em certos casos, produz-se um carboneto do metal original e de boro. Pelo menos uma porção do pro- duto da reaeção é mantida em contacto com o metal, sendo arrastado ou transportado metal fundido no sentido do carboneto de boro que não reagiu, por uma acção de torcida ou acção capilar. Este metal transportado forma metal original adicional, boreto, carboneto e/ou carboneto de boro, continuando a formação ou desenvolvimento de um corpo cerâmico atl terem sido consumidos ou o metal original ou o carboneto de boro, ou até que se altere a temperatura da reaeção, saindo da referida gama de temperaturas da reaeção. A estrutura resultante compreende um boreto do metal original e/ou um composto do metal original e de boro e/ou um carboneto do metal original e/ou um metal (que, como se descreve no pedido de patente de invenção norte-americana ΪΡ 073 533, se pretende que inclua ligas e compostos intermetálieos), e/ou espaços vazios e/ou quaisquer combinações dos mesmos. Além disso, as várias fases podem estar ou não interligadas em uma ou mais dimensões por todo o corpo. As fraeções do volume finais dos compostos contendo boro (isto é, boreto e compostos de boro), compostos contendo carbono e fases metálicas, e o grau de interligação, podem ser controlados fazendo variar uma ou mais condições, tais como a densidade inicial do corpo de carboneto de boro, as quantidades relativas de carboneto de boro e de metal original, as ligas do metal original, a diluição do carboneto de boro no material de enchimento, a temperatura e o tempo. De preferência, a conversão do carboneto de boro em boreto do metal original, em composto ou compostos de boro e do metal original e em carboneto do metal original é pelos menos de 50% e, mais preferivelmente, de pelo menos cerca de 90%.

.¾ 0 ambiente ou atmosfera típicos que foram uti lizados no pedido de patente de invenção norte-americana NS 073 533 foi uma atmosfera relativamente inerte ou não reactiva nas condições do. processo. Em particular, foi descrito que seriam atmosferas apropriadas para o proeesso o gás árgon ou um vácuo, por exemplo. Além disso, descreveu--se que, quando se utilizou zircénio como metal original, o compósito resultante compreendia diboreto de zircénio, carboneto de zircénio e zircénio metálico residual. Descre-veu-se igualmente que, quando se utilizou alumínio como metal original no processo, o resultado foi um carboneto de boro e alumínio, como Al^B^Cg, AlB^Cr, e/ou AlB^C^, ficando como remanescente metal original de alumínio e outros constituintes do metal original não oxidados e que não reagiram. Outros metais originais que são apresentados como sendo apropriados para utilizar nas condições do processamento incluem 0 silício, 0 titanio, 0 báfnio, o lantânio, 0 ferro, 0 cálcio, 0 vanádio, 0 niébio, 0 magnésio e o berílio. 0 pedido de patente de invenção norte-americana copendente ]P 137 044 (de aqui em diante designado por "pedido de patente ‘044”)# depositado em nome de Terry Dennis Claar, Steven Michael lason, Kevin Peter Pochopien e Danny Ray Wb.ite, em 23 de Dezembro de 1987, e intitulado "Proeess for Preparing Self-Supporting Bodies and Products lade Shereby", ê uma continuação em parte do pedido de patente '533. 0 pedido de patente '044 descreve que em alguns casos pode ser desejável adicionar um material dador de carbono (isto ê, um composto contendo carbono) ao leito ou mas-

sa de carboneto de boro que deve ser infiltrado pelo metal original fundido. Especificamente, descreveu-se que o material dador de carbono pode ser susceptível de reagir com o metal original para formar uma fase de carboneto do metal original que pode modificar as propriedades mecânicas resultantes do corpo compósito, relativamente a um corpo compósito que foi produzido sem a utilização de um material dador de carbono. Por conseguinte, descreveu-se que as concentrações dos reagentes e as condições do processo podem ser alteradas ou controladas para produzir um corpo contendo percentagens, em volume, variáveis de compostos de cerâmica, de metal e/ou porosidade. Por exemplo, adicionando um material dador de carbono (por exemplo pó de grafite ou negro de fumo) à massa de carboneto de boro, pode ajustar-se a relação entre o boreto de metal original e o carboneto do metal original. Em particular, se se utilizar zircônio como metal original, poderia reduzir-se a relação ZrB2/ZrC (isto ê, poderia produzir-se mais ZrC, devido à adição de um material dador de carbono na massa de carboneto de boro). 0 pedido de patente *044 descreve também o uso de um molde de grafite que contém um número apropriado de furos de passagem com dimensão, forma e localização particulares que funcionam como meio de ventilação para permitir a remoção de, por exemplo, qualquer gás que possa estar retido no prê-molde ou no material de enchimento à medida que a frente da infiltração reactiva do metal original infiltra o pré-molde. hum outro pedido de patente de invenção relacionado, especificamente o pedido de patente de invenção nór - 8 -

te-americana eopendente H2 137 382 (de aqui em diante designado por "pedido de patente *382") depositado em nome de Terry Dennis Glaar e Gerhard Hans Schiroky, em 23 de Dezembro de 1987, e intitulado "A Method of Modifying Geramic Composite Bodies By a Carburization Brocess and Articles Made Thereby", são descritas outras técnicas de modificação. Espeeificamente, o pedido de patente ‘382 descreve que um corpo compósito de cerâmica fabricado de acordo com os ensinamentos do pedido de patente *533 pode ser modificado expondo o compósito a espécies gasosas carburizantes. Tais espécies gasosas carburizantes podem ser produzidas, por exemplo, embebendo o corpo compósito num leito grafítieo e fazendo reagir pelo menos uma porção do leito grafítieo com humidade ou oxigénio num forno com atmosfera controlada. Ho entanto, a atmosfera do forno deve compreender tipicamente, principalmente, um gás não reactivo, tal como árgon. Hão ê claro se as impurezas presentes no árgon gasoso fornecem o Og necessário para fonaar as espécies carburizantes, ou se o árgon gasoso serve simplesmente de veículo contendo impurezas geradas por qualquer tipo de volatilização de componentes no leito grafítieo ou no corpo compósito. Além disso, pode introduzir-se uma espécie gasosa carburizante directa-mente no interior de um forno com atmosfera controlada durante o aquecimento do corpo compósito.

Uma vez introduzida a espécie gasosa carburizante no forno com atmosfera controlada, o conjunto de montagem deve ser concebido de modo tal que permita que a espécie carburizante seja susceptível de contactar com pelo menos uma porção da superfície do corpo compósito enterrado no pó de grafite acondicionado solto. Crê-se que o carbono na espécie carburizante, ou o carbono proveniente do leito grafí-tico, se dissolverá na fase interligada de carboneto de zir-cônio, que pode então transportar o carbono dissolvido substancialmente para todo o corpo compósito, se se desejar, por um processo de difusão pelos vazios. Além disso, o pedido de patente *382 descreve que, controlando o tempo, a exposição do corpo compósito à espécie carburizante e/ou a temperatura a que se verifica o processo de carburização, pode formar-se uma zona carburizada ou camada carburizada na superfície do corpo compósito. Um tal processo pode ter como resultado uma superfície dura, resistente ao desgaste envolvendo um núcleo de material compósito com um maior teor de metal e uma maior resistência à fractura.

Assim, se se tiver formado um corpo compósito com uma fase residual de metal original numa quantidade compreendida entre cerca de 5 e 30%, em volume, um tal corpo compósito pode ser modificado por um tratamento pós-carburi-zação para dar origem a cerca de 0 a cerca de 2%, em volume, tipicamente entre cerca de 1/2 e cerca de 2%, em volume, de metal original que permanece no corpo compósito.

As descrições de todos os pedidos de patente de invenção norte-americana da presente requerente atrás referidas são aqui expressamente incorporadas por referência.

Sumário da Invenção A presente invenção foi desenvolvida tendo em vista o exposto e para eliminar as deficiências da técnica anterior. A presente invenção proporciona um processo para - 10 ligar uma camada de metal a um corpo compósito que foi formado pela técnica da infiltração reactiva (aqui por vezes designado por "corpo infiltrado reactivamente"). Por sua vez, a camada de metal pode ser ligada a um segundo corpo, tal como um corpo cerâmico ou um corpo metálico. 0 segundo corpo pode ser um outro corpo cerâmico fabricado por uma técnica semelhante ou por uma técnica completamente diferente. Além disso, o segundo corpo podia ser um metal com uma composição química substancialmente análoga ou substancialmente diferente da do metal ligado com o corpo infiltrado reactivamente.

Numa primeira forma de realização preferida, a ligação é efectuada utilizando um fornecimento de metal original fundido que excede a quantidade de metal original necessário para conseguir a infiltração reactiva substancial mente completa da massa de carboneto de boro que se pretende infiltrar. Assim, quando estiver presente um tal excesso de metal original, o corpo resultante será um corpo compósito complexo, no qual o corpo que foi produzido por infiltração reactiva estará ligado directamente ao metal original em excesso. Além disso, o corpo infiltrado reactivamente pode ser formado, quer como uma superfície exterior, quer como uma superfície interior num substrato de metal, podendo as espessuras relativas do metal e do corpo infiltrado reactivamente variar. Por conseguinte, podem formar-se metais e/ou corpos infiltrados reactivamente com parede espessa ou com parede fina.

Numa segunda forma de realização preferida do processo para ligar metal a um corpo infiltrado reactiva- - 11 mente, forma-se primeiramente um corpo de acordo com os ensinamentos, por exemplo, do pedido de patente de invenção N2 073 533. Um tal corpo infiltrado reactivamente tem uma afinidade particular para um metal que seja análogo, e, em alguns casos, substancialmente diferente do metal que foi usado como metal original durante o processo de infiltração reactiva. Devido à afinidade de um tal metal para um corpo formado, o metal pode ser fundido e posto em contacto com pelo menos uma superfície de um corpo infiltrado reactivamente, dando como resultado uma ligação direeta entre o metal e o corpo infiltrado reactivamente. lesta segunda forma de realização preferida, pode também formar-se um macrocom-pósito, no qual o metal está ligado a um outro corpo cerâmico ou a um outro corpo metálico.

Por conseguinte, a presente invenção proporciona um processo para a formação de corpos macrocompôsitos (por exemplo a ligação de dois corpos entre si com composições análogas ou diferentes).

Descrição pormenorizada da invenção e formas de realização preferidas

Segundo a presente invenção, produz-se um corpo auto-suportado por infiltração reactiva de um metal original fundido com carboneto de boro para formar um corpo policristaiino contendo cerâmica que compreende o produto ou os produtos da reacção do metal original com carboneto de boro, podendo também incluir um ou mais constituintes do metal original. 0 carboneto de boro, tipicamente um sólido nas condições do processo, está de preferência sob a forma

de partículas finas ou de pô. O ambiente ou a atmosfera para o processo ê escolhida por forma a ser relativamente inerte ou não reactiva nas condições do processo. 0 árgon ou o vácuo, por exemplo, seriam atmosferas apropriadas para o processo. O produto resultante compreende: a) um boreto do metal original e/ou b) um composto de boro e/ou c) usualmente um carboneto do metal original e/ou d) um metal. Os cons tituintes e as proporções no produto dependem grandemente da escolha e da composição do metal original e das condições da reacção. Também, o corpo auto-suportado produzido pode apresentar porosidade ou espaços vazios. las formas de realização preferidas da presen te invenção, o metal original e uma massa ou leito que compreende carboneto de boro são colocados adjacentes um ao outro, de modo tal que a infiltração reactiva seja no sentido do leito e para o seu interior. 0 leito, que pode ser pré--moldado, pode incluir um material de enchimento, tal como um material de enchimento de reforço, que seja substancialmente inerte nas condições do processo. 0 produto da reacção pode crescer para o interior do leito sem substancialmente o perturbar ou deslocar. Assim, não são necessárias quaisquer forças exteriores, que poderiam danificar ou perturbar a disposição do leito, nem são necessárias temperaturas ou pressões elevadas, incómodas e caras, nem equipamentos caros para criar o produto da reacção. A infiltração reactiva do metal original no interior do carboneto de boro e com o mesmo, o qual de preferência está sob a forma de partículas ou de pô, forma um compósito que tipicamente com preende um boreto do metal original e um composto do metal 13

original e boro. Com o alumínio como metal original, o produto pode compreender um carboneto de alumínio e boro (por exemplo AlgB^gCg, AlB^gOg» AlBg^C^), podendo também incluir metal, por exemplo alumínio e possivelmente outros constituintes do metal original que não reagiram ou não foram oxidados. Se for o zircônio o metal original, o compósito resul tante compreende boreto de zircônio e carboneto de zircônio. Também, pode estar presente metal zircônio no compósito. Em alternativa, se se usar uma liga de titânio/zircônio como me tal original, o compósito resultante compreende boreto de titânio, carboneto de titânio, boreto de zircônio e carboneto de zircônio. Além disso, pode estar presente alguma liga de titânio/zircônio no compósito, como metal original residual ou que não reagiu.

Embora de aqui em diante a presente invenção seja descrita com particular referência a certas formas de realização preferidas, nas quais o metal original compreende zircônio ou alumínio, isso é apenas para fins de ilustração. Podem usar-se também outros metais originais, tais como o silício, o titânio, o háfnio, o lantânio, o ferro, o cálcio, o vanádio, o niôbio, o magnésio, o crómio, o berílio e ligas de titânio/zircônio, sendo mais adiante dados exemplos de vários desses metais originais.

Deve entender-se que a gama de temperaturas operáveis ou a temperatura preferível podem não se estender por toda a gama de temperaturas superiores ao ponto de fusão do metal original, mas inferiores ao ponto de fusão do produto da reacção. A gama de temperaturas dependerá largamente de factores tais como a composição do metal original e das - 14 - fases desejadas no compósito resultante. 0 metal fundido entra em contacto com o carboneto de boro e formam-se um bore-to do metal original (por exemplo diboreto de zircônio) e um carboneto do metal original (por exemplo carboneto de zircônio) como produto da reacção. Pela exposição continua ao carboneto de boro, o metal fundido restante ê progressivamente arrastado através do produto da reacção no sentido da massa contendo carboneto de boro e para o interior da mesma, paca proporcionar a formação contínua de produto da reacção na interface entre o metal fundido e o carboneto de boro. 0 produto produzido por este processo compreende o pro duto ou os produtos da reacção do metal original com o carboneto de boro, ou podem compreender um compósito de cerâmica--metal incluindo ainda um ou mais constituintes do metal ori ginal que não reagiram ou nao se oxidaram. Uma quantidade substancial do carboneto de boro reage para formar um ou mais produtos da reacção, sendo de preferência esta quantidade pelo menos igual a cerca de 50% e, mais preferivelmente, de pelo menos cerca de 90%. Os cristalitos de cerâmica formados no produto da reacção pelo processo podem estar ou não interligados, mas de preferência estão interligados em três dimensões, estando as fases metálicas e quaisquer espaços vazios normalmente pelo menos parcialmente interligados. Alguma porosidade tende a resultar de uma deplecção parcial ou quase completa da fase do metal original, a favor da formação de produto da reacção adicional (como sucede no caso presente estão presentes reagentes estequiomêtricos ou carboneto de boro em excesso), mas a percentagem, em volume, - 15

dos espaços vazios dependerá de factores tais como a temperatura, o tempo, o tipo de metal original e a porosidade da massa de carboneto de boro.

Verificou-se que os produtos fabricados segun do a presente invenção utilizando zircônio, titãnio e háfnio como metal original formam um boreto de metal original earac terizado por uma estrutura semelhante a plaquetas. Estas pia quetas estão tipicamente desalinhadas ou orientadas aleatoriamente. Esta estrutura semelhante a plaquetas e a fase metálica parecem contribuir, pelo menos em grande parte, para a extraordinariamente elevada resistência à fractura deste compósito, de cerca de 12 MPa m ' , ou mais elevada, devida a mecanianos de deflexão e/ou arranque das fendas.

Hum outro aspecto da presente invenção, pro-porciona-se um corpo auto-suportado, incluindo corpos compósitos, que compreendem uma matriz de produto da reacção e, optativamente, constituintes metálicos, que embebem um material de enchimento substancialmente inerte. A matriz é formada pela infiltração reaotiva de um metal original no interior de um leito ou massa do material de enchimento, misturado iíitimamente com carboneto de boro. 0 material de enchimento pode ter quaisquer dimensões e qualquer forma e pode estar orientado relativamente ao metal original de qual quer maneira, desde que o sentido do desenvolvimento do produto da reacção sega para pelo menos uma parte do material de enchimento e envolva a mesma, sem substancialmente a perturbar ou deslocar. 0 material de enchimento pode ser constituído ou compreender qualquer material apropriado, tais - 16

como fibras, filamentos emaranhados, materiais em partículas, pôs, barras, arames, tecidos de arame, tecidos refractários, placas, plaquetas, estruturas de espuma reticuladas, esferas maciças ou ocas, etc., de cerâmica e/ou metal. Um material de enchimento particularmente utilizável ê a alumina, mas podem usar-se outros óxidos e materiais de enchimento cerâmicos, conforme os materiais de partida e as propriedades finais desejadas. A massa de material de enchimento pode ser um agregado ou dispositivo solto ou ligado, tendo inters tícios, aberturas, espaços intercalares ou similares, para tornar o material de enchimento permeável à infiltração de metal original fundido. Além disso, o material de enchimento pode ser homogéneo ou heterogéneo. Se se desejar, estes materiais podem ser ligados com qualquer agente de ligação apropriado (por exemplo Avicil PH 105, da PMC Co.) que não interfira com as reacções segundo a presente invenção nem deixe quaisquer subprodutos residuais indesejáveis no interior do produto compósito final. Um material de enchimento que tenda a reagir excessivamente com o carboneto de boro ou com o metal fundido durante o processamento pode ser revestido de modo a tomar o material de enchimento inerte no ambiente do. processo. Por exemplo, as fibras de carbono, se forem usadas como material de enchimento, em ligação com alumínio como material original, tenderão a reagir com o alumínio fundido, mas esta reacção pode ser impedida se as fibras forem primeiramente revestidas, por exemplo com alumina·

Coloca-se num forno um recipiente refractário apropriado contendo o metal original e um leito ou massa de

material de enchimento, com carboneto de boro misturado, orientados de maneira apropriada para permitir a infiltração reaetiva do metal original no leito de material de enchimento e o desenvolvimento apropriado do compósito, e aquece-se este conjunto até uma temperatura superior ao ponto de fusão do metal original, A estas temperaturas elevadas, o metal original fundido infiltra-se no material de enchimento permeável, por um processo de capilaridade, e reage com o carboneto de boro, produzindo desse modo o corpo compósito de cerâmica ou de cerâmica-metal desejado. Além disso, para ajudar a reduzir a quantidade final de operações de ma-quinagem e acabamento, um material de barreira pode envolver o pré-molde. A utilização de um molde de grafite ê particularmente útil como barreira para metais originais tais como o zircônio, o titânio, ou o háfnio, quando usados em combinação com pré-moldes feitos de, por exemplo, carboneto de boro, nitreto de boro, boro e carbono. Mais ainda, colocando um número apropriado de furos de passagem com dimensões e forma apropriados no referido molde de grafite, reduz-se a porosidade que tipicamente se verifica no interior de um corpo compósito fabricado segundo a presente invenção. Tipicamente, coloca-se um certo número de furos numa porção inferior do molde, ou da porção do molde em cujo sentido se verifica a infiltração reaetiva. Os furos funcionam como meios de ventilação que peunitem a remoção de, por exemplo, gás árgon que tenha ficado retido no pré-molde à medida que a frente de infiltração reaetiva de metal original se infiltra no pré-molde.

Os pré-moldes para utilização na presente in-

venção podem ser feitos por meio de uma vasta gama de processos convencionais de modelação de corpos de cerâmica (tais como a prensagem uniaxial, a prensagem isostática, a molda-ção a partir de uma pasta fluida, a moldação por sedimentação, a moldação de fita, a moldação de injecção, o enrolamento de filamentos para materiais fibrosos, etc.) conforme as características do material de enchimento. A ligação inicial das partículas, filamentos emaranhados, fibras ou similares do material de enchimento, antes da infiltração reac-tiva, pode ser obtida por uma sinterização ligeira ou pela utilização de vários materiais ligantes orgânicos ou inorgânicos que não interfiram com o processo nem contribuam com subprodutos indesejáveis para o material acabado. 0 pré--molde ê fabricado de modo a ter uma integridade de forma e uma resistência em verde suficientes, devendo ser permeável para o transporte de metal fundido, tendo de preferência uma porosidade compreendida entre cerca de 5% e 90%, em volume, mais preferivelmente entre cerca de 25% e 75%, em volume. Bfo caso de um metal original de alumínio, os materiais de enchimento apropriados incluem, por exemplo, o carboneto de silício, o diboreto de titanio, a alumina e o dodecabore-to de alumínio (entre outros) e, como materiais em partículas, tendo tipicamente dimensões das partículas de cerca de 14 a 1 000 mesh, podendo no entanto usar-se qualquer mistura de materiais de enchimento e granulometrias. 0 prê-molde é depois colocado em contacto com metal original fundido em uma ou mais das suas superfícies durante um tempo suficiente para completar a infiltração da matriz atê aos limites superficiais do pré-molde. 0 resultado deste processo do pré-molde - 19 - ê ma corpo compósito de cerâmica-metal com uma forma que representa muito aproximadamente ou exaetamente a desejada para o produto final, minimizando assim ou eliminando as opera ções finais de maquinagem e rectificação, caras.

Verificou-se que a infiltração do material de enchimento permeável pelo metal original é promovida pela presença de um carboneto de boro no material de enchimento. Mostrou-se ser eficaz uma pequena quantidade de fonte de boro, mas o mínimo pode depender de um certo número de facto-res, tais como o tipo e as dimensões das partículas de carboneto de boro, o tipo de metal original, o tipo de material de enchimento e as condições do processo. Assim, pode propor cionar-se uma grande variação de concentrações de carboneto de boro no material de enchimento, mas quanto mais baixa for a concentração de carboneto de boro, mais elevada é a percentagem, em volume, de metal na matriz. Quando se usarem quantidades muito baixas de carboneto de boro, por exemplo 1% a 3%t em peso, com base no peso total de carboneto de boro mais o material de enchimento, a matriz resultante ê de metal interligado e uma quantidade limitada de boreto do metal original e de carboneto do metal original dispersos no metal. Na ausência de carboneto de boro, a infiltração reac-tiva do material de enchimento pode não se verificar, podendo a infiltração nao ser possível sem procedimentos especiais, tais como a aplicação de pressão exterior para forçar o metal a entrar no material de enchimento.

Devido à extensa gama de concentrações de carboneto de boro que pode usar-se no material de enchimento no processo segundo a presente invenção, é possível contro- - 20 lar ou modificar as propriedades do produto pronto variando a concentração de carboneto de boro e/ou a composição do leito. Quando apenas estiver presente uma quantidade pequena de carboneto de boro relativamente à quantidade de metal original, de modo que a massa inclui uma densidade de carboneto baixa, as propriedades do corpo compósito ou da matriz são dominadas pelas propriedades do metal original, mais tipicamente pela ductilidade e a tenacidade, porque a matriz ê predominantemente metal. Um tal produto pode ser vantajoso para aplicações na gama das temperaturas médias. Quando se usar uma quantidade de carboneto de boro grande, por exemplo quando se compactarem densamente um ou mais compostos com partículas de carboneto de boro em torno de um material de enchimento, ou ocupando uma grande percentagem do espaço entre os constituintes do material de enchimento, as propriedades do corpo compósito ou da matriz tendem a ser dominadas pelo boreto do metal original e qualquer carboneto do metal original, sendo por isso o corpo compósito ou a matriz mais duros ou menos dúcteis e menos tenazes. Se se controlar estreitamente a estequiometria de modo a conseguir uma conversão substancialmente completa do metal original, o produto resultante conterá pouco ou nenhum metal, o que pode ser vantajoso para as aplicações do produto a temperaturas elevadas. Também, a conversão substaneialmente completa do metal original pode ser importante especialmente em certas aplicações a temperaturas elevadas, devido ao facto de o produto da reacção boreto ser mais estável do que o carboneto de boro, por o carboneto de boro tender a reagir com metal residual ou nao oxidado, por exemplo alumínio, - 21 presente no produto.

Quando se desejar, pode misturar-se um material dador de cartono (por exemplo cartono elementar) com o leito ou o pré-molde de cartoneto de toro e, optativamente, um material de enchimento. Este excesso de cartono, que varia tipicamente entre cerca de 5% e 10%, em peso, da totali dade do leito, reage com o metal original, assegurando assim a reacção sutstancialmente completa do metal. Esta reacção do metal com o cartono depende largamente da quantidade relativa de cartono usada, do seu tipo, por exemplo negro de fumo ou grafite, e da sua cristalinidade. A escolha entre estas características extremas pode ser altamente desejável para satisfazer as necessidades das diferentes aplicações potenciais para estes produtos. Por exemplo, adicionando cerca de 5% a 75%, de preferência cerca de 5% a 50%, em peso, de negro de fumo a um pré-molde de B^C e infiltrando reactivamente o pré-molde com um metal de zircônio, pode taixar-se a relação ZrBg/ZrC (isto ê, forma-se mais ZrC).

Tamtém pode misturar-se um material dador de toro (por exemplo toro elementar ou em pé) com o leito ou o pré-molde de cartoneto de toro. Em particular, verificou--se que pode facilitar-se a infiltração reactiva quando se utilizar alumínio como metal original. Uma tal mistura reduz o custo do leito relativamente a um leito totalmente de cartoneto de toro, dá origem à formação de um produto contendo um cartoneto de toro, tal como cartoneto de toro e alumínio, que possui certas propriedades comparáveis às do toreto de alumínio, e impede a formação de cartoneto de alumínio que - 22 - é instável na presença de humidade e portanto degrada as propriedades estruturais do produto. Porém, a presença de um material dador de boro serve também para modificar a relação boreto do metal original/carboneto do metal original. Por exemplo, quando se utilizar o zircônio como metal original, pode aumentar-se a relação ZrBg/ZrC (isto ê, forma--se mais ZrB2).

Podem criar-se outras variantes adicionais das características e propriedades do compósito controlando as condições da infiltração. As variáveis que podem ser manipuladas incluem a natureza e as dimensões das partículas de material de carboneto de boro e a temperatura e o tempo da infiltração. Por exemplo, da infiltração reactiva que implique partículas de carboneto de boro e tempos de exposição mínimos a baixas temperaturas, resultará uma conversão parcial do carboneto de boro num ou mais compostos de boro e metal original ou de carbono e metal original. Como consequência, mantém-se na microstrutura material de carboneto de boro que não reagiu, que pode comunicar características desejáveis ao material acabado para certos fins. A infiltração que envolva as partículas de carboneto de boro, temperaturas elevadas e tempos de exposição prolongados (eventualmente mantendo mesmo a temperatura depois de se completar a infiltração) tenderão a favorecer a conversão substancialmente completa do metal original no composto ou nos compostos de boreto e carboneto do metal original. De preferência, a conversão do carboneto de boro em boreto do metal original, num ou mais compostos de boro e do metal original e em carboneto do metal original é pelo menos de - 23 - 50%, mais preferivelmente de cerca de 90%. A infiltração a temperaturas elevadas (ou um tratamento subsequente a temperatura elevada) pode também ter como consequência uma densificação de alguns dos constituintes do compósito por um processo de sinterização. Além disso, como atrás se notou, a redução da quantidade de metal original disponível abaixo da necessária para formar o composto ou os compostos de boro e carbono e preencher os interstícios no material pode conduzir a um corpo poroso, que pode também ter aplicações úteis. Num tal compósito, a porosidade pode variar desde cerca de 1 até 25%, em volume, por vezes mais elevada, dependendo de vários factores ou condições atrás enumerados.

Em todas as formas de realização atrás discutidas, a quantidade de metal original proporcionado para a infiltração reactiva pode ser tal que exceda a necessária para fazer reagir de maneira substancialmente completa todo o material de carboneto de boro e/ou qualquer dos aditivos que se adicionam. Numa primeira forma de realização preferida, a ligação é efectuada utilizando um suprimento de metal original fundido que excede a quantidade de metal original necessária para conseguir a infiltração reactiva substancialmente completa da massa de carboneto de boro que deve ser infiltrada. Assim, quando estiver presente um excesso de metal original, o corpo resultante será um corpo compósito complexo, no qual o corpo que foi produzido por infiltração reactiva estará ligado directamente ao metal original em excesso. Além disso, o corpo infiltrado reactivamente pode ser formado ou como uma superfície exterior ou interior num .substrato do metal, podendo variar-se as espessuras relativas do metal para a do corpo infiltrado reactivamente. Por conseguinte, podem formar-se metais e/ou corpos infiltrados reactivamente de parede espessa ou fina.

Numa segunda forma de realização do processo preferida para ligar um metal a um corpo infiltrado reactivamente, forma-se primeiramente um corpo de acordo com, por exemplo, o pedido de patente de invenção N2 073 533· Um tal corpo infiltrado reactivamente tem uma afinidade particular para um metal que seja semelhante ao metal que foi usado como metal original durante o processo da infiltração reac-tiva, em alj^s casos substanciaQmente diferente do mesmo. Devido â afinidade de uai tal metal para um corpo formado, o metal pode fundir-se e ser posto em contacto com pelo menos uma superfície do corpo infiltrado reactivamente, resultando daí uma ligação directa entre o metal e o corpo infiltrado reactivamente. Nesta segunda forma de realização preferida, pode também formar-se um macrocompôsito no qual o metal está ligado a outro corpo cerâmico ou outro corpo metálico.

Por conseguinte, a presente invenção proporciona um processo para a formação de corpos macrocompôsitos (por exemplo a ligação de dois corpos entre si de composição igual ou diferente).

Claims (3)

1. - 25 -

   REIVINDICAÇÕES 1,- Processo para a produção de um corpo aut.o-sup.ortado, caracterizado por compreender a produção de um primeiro corpo compósito: seleccionando um metal original; aquecendo o referido metal original numa atmosfera substancialmente inerte até uma temperatura superior ao seu ponto de fusão para permitir a infiltração do metal original fundido numa massa que compreende carboneto de boro e para permitir a reacção do metal original fundido com o referido carboneto de boro para formar pelo menos um composto contendo boro; continuando a infiltração reactiva durante um tempo suficiente para produzir o referido corpo auto-suportado que com- 26

   preende pelo menos um composto do metal original contendo boro; e proporcionando um excesso de metal em pelo menos uma superfície do referido corpo auto-suportado para permitir a ligação do referido corpo auto-suportado a um segundo corpo.
2. 2.- Processo para a produção de um macrocompósito auto--suportado, caracterizado por compreender as fases de: infiltrar reactivamente uma massa que compreende carboneto de boro com um metal original, verificando-se a referida infiltração reactiva numa atmosfera substancialmente inerte para produzir uma reacção do referido carboneto de boro com o referido metal original para formar pelo menos um composto contendo boro num corpo infiltrado reactivamente; e proporcionar uma quantidade de metal original em excesso tal que o metal original, por arrefecimento, fique ligado ao corpo infiltrado reactivamente formando assim um corpo macrocompósito .
3. 3.- Processo para a produção de um corpo macrocompósito auto-suportado, caracterizado por compreender as fases de: seleccionar um metal original; aquecer o referido metal original numa atmosfera substancialmente inerte até uma temperatura acima do seu ponto de fusão para permitir a infiltração de metal original fundido 27 27

   no interior de uma massa que compreende um material de carboneto de boro e para permitir a reacção de metal original fundido com o referido material de carboneto de boro, formando assim pelo menos um composto contendo boro; continuar a referida infiltração reactiva durante um tempo suficiente para produzir o referido corpo auto-suportado que compreende pelo menos um composto do metal original contendo boro; e depois disso estabelecer o contacto e ligar pelo menos uma porção do referido corpo auto-suportado com outro metal,produzindo assim um corpo macrocompósito, Lisboa, 12 de Janeiro d§ , ,, ;____^ -in ; li'--· 11 -*1