PT92856B - Processo para a producao de corpos auto-suportados com porosidade controlada e propriedades graduadas - Google Patents
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Description
PROCESSO PARA A PRODUÇÃO DE CORPOS AUTO-SUPORTADOS COM PO ROSIDADE CONTROLADA Ξ PROPRIEDADES GRADUADAS
Campo da Invenção
A presente invenção diz respeito, de ama ma neira geral, a um processo novo para a preparação de corpos auto-suportados e aos produtos novos fabricados pelo mesmo. Nos seus aspectos mais específicos, a presente invenção refere-se a um processo para a produção de corpos auto-suportados que compreendem um ou mais compostos contendo boro, por exemplo um boreto ou um boreto e um carboneto, fazendo reagir, numa forma de realização, um metal original em pó, na forma fundida, com um leito ou massa que compreende um material de carboneto de boro e, optativamente, um ou mais materiais de encliimento inertes, para formar o corpo. Numa outra forma de realização, um metal original em pó e um corpo ou massa líquida de metal original fundido são induzidos a reagir com um leito ou massa que compreende um material de carboneto de boro e, optativamente, um ou mais materiais de enchimento inertes.
Fundamento da presente invenção
Nos últimos anos, tem havido um interesse crescente pelo uso das cerâmicas para aplicações estruturais historicamente reservadas aos metais. 0 ímpeto para este interesse tem sido a superioridade das cerâmicas relativamente a certas propriedades, tais como a resistência à corrosão, a dureza, a resistência ao desgaste, o módulo de elasticidade e as potencialidades refractárias, quando comparadas com as dos metais.
Contudo, constitui uma limitação importante da utilização das cerâmicas para esses fins de viabilidade e o custo de produção das estruturas cerâmicas desejadas. Por exemplo, a produção de corpos cerâmicos de boreto pelos processos da prensagem a quente, de sinterização com reacção e prensagem a quente com reacção é bem conhecida.
No caso da prensagem a quente, faz-se a compactação, a temperaturas e pressões elevadas, de partículas de pós finos do boreto desejado. A prensagem a quente com reacção implica, por exemplo, a compactação a temperaturas e pressões elevadas do boro ou de um boreto metálico com um pó apropriado contendo um metal. A patente de invenção norte-americana N2 3 937 619 de Clougherty descreve a preparação de um corpo de boreto por prensagem a quente de uma mistura de metal em pó com um diboreto em pó e a patente de invenção norte-americana-N2 4 512 946 de Brun descreve a prensagem a quente de pó cerâmico como boro e um hidreto metálico para formar um compósito de boreto.
Contudo, estes processos de prensagem a quen te exigem um processamento especial e equipamento especial caro, têm limites no que respeita às dimensões e à forma da peça cerâmica produzida e implicam tipicamente produti/ vidades baixas do processo e elevados custos de fabricação.
Uma segunda limitação importante na utilização de cerâmicas para as aplicações estruturais é a sua falta geral de resistência à fractura (isto é, de tolerância às danificações ou resistências à fractura). Esta característica tende a conduzir a avarias repentinas, facilmente induzidas, e catastróficas das cerâmicas, em aplicações que implicam tensões de tracção mesmo bastante moderadas. Esta falta de resistência à fractura tende a ser particularmente comum nos corpos de boretos cerâmicos monolíticos.
Uma abordagem para vencer este problema tem sido a tentativa de utilizar cerâmicas em combinação com metais, por exemplo sob a forma de cermets ou compósitos com matriz metálica. 0 objectivo desta abordagem do problema consiste em obter uma combinação com as melhores propriedades da cerâmica (por exemplo a dureza e/ou a rigidez) e do metal (por exemplo a ductilidade). A patente de invenção norte-americana N2 4 585 618 de Presnel et al., descreve um processo de produção de um cermet no qual se faz reagir uma mistura de reacção a granel de reagentes em partículas que reagem para produzir um corpo cerâmico auto-suportado sinterizado, enquanto em contacto com um metal fundido. 0 metal fundido infiltra pelo menos uma porção do corpo cerâmico resultante. Um exemplo de uma tal mistura de reacção é uma mistura que contém titânio alaiámo e óxi do de boro (todos sob a forma de partículas), a qual é aquecida enquanto em contacto com uma massa líquida de alu-
τ» mínio fundido. A mistura de reacção reage para formar diboreto de titânio e alumina como fase cerâmica, a qual é infiltrada pelo alumínio fundido. Assim, este processo utiliza o alumínio na mistura de reacção principalmente como agente redutor. Além disso, a massa líquida exterior de alumínio fundido não está a ser usada como fonte de metal precursor para uma reacção de formação do boreto, mas antes está a ser utilizado como um meio para preencher os poros na estrutura cerâmica resultante. Isto cria cermets que são molháveis e resistentes ao alumínio fundido. Estes cermets são utilizáveis em particular nas células de produção de alumínio, como componentes que contactam com o alumínio fundido produzido mas ficam de preferência fora do contacto com a criolite fundida. Não há qualquer outro emprego de carboneto de boro neste processo.
A patente de invenção europeia N2 0 113 249 de Reeve et al., descreve um processo para a fabricação de um cermet formando primeiramente in situ partículas dispersas de uma fase cerâmica numa fase de metal fundido e mantendo esta condição de fundido durante um intervalo de tempo suficiente para efectuar a formação de uma rede cerâmica desenvolvida intermediariamente. A formação da fase cerâmica é ilustrada fazendo reagir um sal de titânio com um sal de boro num metal fundido, tal como o alumínio. Desenvolve-se um boreto cerâmico in situ que se transforma numa rede desenvolvida intermediariamente. Não há, no entanto, qualquer infiltração, formando-se depois o boreto como um precipitado no metal fundido. Ambos os exemplos no pedido de patente de invenção estabelecem expressamente que
não se formaram quaisquer grãos de TiAl^, AlB^ ou AlB^, mas sim formou-se TiB^, demonstrando o facto de que o alumínio não ê o metal precursor para o boreto. Hão há qualquer outra sugestão da utilização do carboneto de boro como material precursor no processo.
A patente de invenção norte-americana N2 3 864 154 de Gazza et al., descreve um sistema cerâmica-metal produzido por infiltração. Um corpo compacto de AlB-^2 f°i impregnado com alumínio fundido sob vazio para produzir um sistema destes componentes. Outros materiais preparados incluíam SiB^-Al, B-Al; B^C-Al/Si; e AlB-^-B-Al. Não há qualquer sugestão de uma qualquer reacção, nem qualquer sugestão de fabricação de compósitos implicando uma reacção com o metal infiltrante nem de qualquer produto da reacção que contenha embebido um material de enchimento inerte ou fazendo parte de um compósito.
A patente de invenção norte-americana N2 4 605 440 de Halverson et al., descreve que, para se obter compósitos de B^C-A1, se submete um corpo compacto de B^C-Al (formado por prensagem a frio de uma mistura homogénea de B^C e Al, ambos em pó) à sinterização no vácuo ou sob atmosfera de árgon. Não se faz qualquer menção a um produto da reacção embebendo um material de enchimento inerte para obter compósitos utilizando as propriedades favoráveis do material de enchimento.
Embora estes conceitos para a produção de materiais de cermet tenham em alguns casos produzido resultados promissores, existe uma necessidade geral de processos mais eficientes e económicos para a preparação de 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 invençSo norte-americana copendente NS 073 533» depositado nos nomes de Danny R. White, Michael K. Aghajanian e T. Dennis Claar, em 15 de Julho de 1987, e intitulado Process for Preparing Self-Supporting Bodies and Products Made Thereby.
As definições seguintes foram usadas no pedido de patente de invenção norte-americana NS 073 533, devendo ser aplicadas também no presente pedido de patente de invenção.
Metal original refere-se ao metal (por exemplo zircónio) que é o precursor do produto policristalino da reacção de oxidação, isto ê, o boreto do metal original ou outro composto de boro do metal original, e inclui esse metal como metal puro ou relativamente puro, um metal existente no mercado com impurezas e/ou componentes de liga, e uma liga na qual esse precursor do metal ê o constituinte mais importante; e quando se mencionar um metal específico como material original (por exemplo o zircónio), o metal identificado deve ser considerado tendo em mente esta definição, a ihenos que o contexto indique o contrário.
Boreto do metal original e compostos de boro do metal original significam um produto da reacção contendo boro, formado por reacção entre o carboneto de boro e o metal original, e inclui um composto binário de
- 7 boro com o metal original bem como compostos ternários e de ordem superior.
Carboneto do metal original significa um produto da reacção contendo carbono formado pela reacção de carboneto de boro e o metal original.
Resumindo a descrição do pedido de patente de invenção norte-americana N2 073 533, corpos cerâmicos auto-suportados são produzidos utilizando um processo de infiltração do metal original e reacção (isto é, 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 constituído inteiramente por 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 incluir um carboneto do metal original. Descreve-se igualmente que a massa de carboneto de boro que deve ser infiltrada pode também conter um ou mais materiais de enchimento inertes misturados com o carboneto de boro. Por conseguinte, combinando um material de enchimento inerte, o resultado sèrá 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. Paz-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 N2 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 é fundido num ambiente substancialmente inerte, numa gama particular de temperaturas. 0 metal fundido infiltra-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 produto da reacção 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 tran_s portado forma metal original adicional, boreto, carboneto e/ou carboneto de boro, continuando a formação ou desenvolvimento de um corpo cerâmico até terem sido consumidos ou o metal original ou o carboneto de boro, ou atê que se altere a temperatura da reacção, saindo da referida gama de temperaturas da reacção. A estrutura resultante compreende um boreto do metal original e/ou um composto do metal
- 9 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 N2 073 533, se pretende que inclua ligas e compostos intermetálicos), e/ou espaços vazios e/ou quaisquer combinações dos mesmos. Além disso, as vãrias fases podem estar ou não interligadas em uma ou mais dimensões por todo o corpo. As fracções 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 ê pelo menos de 50% e, mais preferivelmente, de pelo menos cerca de 90%.
ambiente ou atmosfera típicos que foram utilizados 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 processo o gás árgon ou um vácuo, por exemplo. Além disso, descreveu-se que, quando se utilizou zircônio como metal original, o compósito resultante compreendia diboreto de zircónio, carboneto de zircônio e zircônio metálico residual. Descreveu-se igualmente que, quando se utilizou alumínio
- 10 como metal original no processo, o resultado foi um carboneto de boro e alumínio, como Al^B^gC2, AlB^gCg θ/ou AU^^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 o silício, o titânio, o háfnio, o lantânio, o ferro, o cálcio, o vanádio, o niôbio, o magnésio e o berílio.
pedido de patente de invenção norte-americana copendente N2 137 044 (de aqui em diante designado por pedido de patente Ό44), depositado em nome de Terry Dennis Claar, Steven Michael Mason, Kevin Peter Pochopien e Danny Ray White,em 23de Dezembro de 1987, e intitulado Process for Preparing Self-Supporting Bodies and Products Made Thereby, é 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 é, um composto contendo carbono) ao leito ou massa 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 zircónio como metal original, poderia reduzir-se a relação Zrl^/ZrC (isto ê, poderia produzir-se mais ZrC, devido à adição de um material dador de carbono na massa de carboneto de boro).
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 pré-molde ou no material de enchimento à medida que a frente da infiltração reactiva do metal original infiltra o prê-molde.
Num outro pedido de patente de invenção relacionado, especificamente o pedido de patente de invenção norte-americana copendente N^ 137 382 (de aqui em diante designado por “pedido de patente '382) depositado em nome de Terry Dennis Claar e Gerhard Hans Schiroky, em 23 de Dezembro de 1987, e intitulado “A Method of Modifying Ceramic Composite Bodies By a Carburization Process and Articles Made Thereby”, são descritas outras técnicas de modificação. Especificamente, 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 grafítico e fazendo reagir pelo menos uma porção do leito grafítico com humidade ou oxigénio num forno com atmosfera controlada. No entanto, a atmosfera do forno deve compreender tipicamente, principalmente, um gás não reactivo, tal como árgon. Não é claro se as impurezas presentes no árgon gasoso fornecem o 02 necessário para formar as espécies carburizantes, ou se o árgon gasoso serve simplesmente de veículo contendo impurezas geradas por qualquer tipo de volatilização de componentes no leito grafítico ou no corpo compósito. Além disso, pode introduzir-se uma espécie gasosa carburizante directamente 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 pô de grafite acondicionado solto. Crê-se que o carbono na espécie carburizante, ou o carbono proveniente do leito grafítico, se dissolverá na fase interligada de carboneto de zircónio, 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 /
- 13 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 θ 30%, em volume, um tal corpo compósito pode ser modificado por um tratamento pós-carburização 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
Segundo a presente invenção, os corpos cerâmicos auto-suportados são produzidos com porosidade controlada e/ou com propriedades especificadas. Um tal controlo é conseguido utilizando um metal original em pó em combinação com um material que compreende carboneto de boro. Numa forma de realização preferida, utilizam-se juntamente quer um metal original em pó quer um corpo ou massa líquida de metal original.
Mais especificamente, mistura-se um metal original em pó numa quantidade desejada com um material que compreende carboneto de boro e, optativamente, um material de enchimento. Aquece-se a mistura até uma temperatura superior ao ponto de fusão do metal original fazendo com que o metal original reaja com o material de carboneto de boro para formar um carboneto do metal original e uma fase de boreto do metal original. Metais originais tais como o zircónio, o titânio, o háfnio, etc., podem ser formados em pó e misturados em quantidades variáveis com um material de carboneto de boro. 0 metal original em pó, reagindo com o carboneto de boro, forma poros que podem corresponder, nas dimensões relativas, às partículas de metal original em pó. Especificamente, se se misturarem partículas do metal original em pó relativamente grandes com material de carboneto de boro, obter-se-iam dimensões de poros relativamente maiores em comparação com as partículas de metal original relativamente mais pequenas. Além disso, a percentagem, em volume, relativa de metal original em partículas em comparação com o carboneto de boro pode também influenciar a percentagem de porosidade (isto ê, quando aumentar a quantidade de material original em partículas, aumentará também a porosidade produzida num corpo de metal).
Combinando um metal original em pó com um material de carboneto de boro, é possível controlar um corpo formado de tal modo que ele pode ser denso numa sua superfície e relativamente poroso numa outra. Um tal efeito poderia ser obtido misturando partículas relativamente grandes de metal original com carboneto de boro junto da superfície do corpo que se desejasse que fosse relativamente porosa, e misturando partículas relativamente pequenas de metal original em pô com carboneto de boro numa parte do corpo que se desejasse que fosse relativamente densa.
Numa outra forma de realização preferida, pode misturar-se metal original em pó com carboneto de boro em apenas uma porção do material de carboneto de boro. Assim, a quantidade de metal original em pó proporcionado pode ser insuficiente para reagir completamente com o material de carboneto de boro. Por conseguinte, em alguns casos, pode ser necessário proporcionar além do metal original em pó um corpo ou massa líquida de metal original fundido que também reage com o material de carboneto de boro. Uma tal reacção seria uma infiltração reactiva, como atrás se descreveu, por exemplo no pedido de patente de invenção norte-americana N2 073 533. Além disso, tal infiltração reactiva ocorrerá de preferência a partir de um sentido num material de carboneto de boro substancialmente oposto ao metal original em pô. Especificamente, se se formou um pré-molde de carboneto de boro com uma forma semelhante a uma placa e apenas um dos lados da placa incluir metal original em partículas, então pode induzir-se a ocorrência da infiltração reactiva a partir do lado da placa oposta (por exemplo a mais afastada) ao local do metal original em partículas.
Os corpos feitos de acordo com o processo segundo a presente invenção que incluem uma quantidade controlada de porosidade, poderiam ser usados em aplicações
tais como em filtros para altas temperaturas (especialmente os filtros expostos a ambientes corrosivos) bem como em aplicações biomêdicas. Especificamente, graduando a porosidade num corpo auto-suportado fabricado segundo a presente invenção (isto é, variando a porosidade de uma parte de um corpo para outra) o crescimento dos ossos poderia penetrar no corpo e os ligamentos e/ou os músculos podiam fixar-se no corpo. Além disso ainda, podem controlar-se as propriedades térmicas e/ou mecânicas do corpo controlando o grau de porosidade, bem como a localização específica dos poros. Por exemplo, poderia projectar-se a porosidade para aparecer apenas numa porção central do corpo, enquanto outras partes do corpo ficavam relativamente densas.
Por conseguinte, os corpos fabricados segundo a presente invenção podem ser aplicados em número substancialmente ilimitado de aplicações incluindo qualquer coisa desde as aplicações â indústria pesada até âs aplicações biomêdicas.
Breve descrição dos desenhos
A fig. 1 ê uma microfotografia com a ampliação de 50 X de um corte de um compósito cerâmico formado pelo processo descrito no Exemplo 1.
A fig. 2, ê uma microfotografia com a ampliação de 400 X de um corte de um compósito cerâmico formado pelo processo descrito no Exemplo 1.
A fig. 3 é uma microfotografia com a ampliação de 50 X de um corte de um compósito de cerâmica formado
- 17 / pelo processo do Exemplo 2.
A fig. 4 é uma microfotografia com a ampliação de 400 X de um corte de um compósito cerâmico formado pelo processo do Exemplo 2.
Descrição pormenorizada da invenção e das formas de realização preferidas
Segundo a presente invenção, produzem-se corpos de cerâmica auto-suportados com porosidade controlada (por exemplo muito porosos, densos, etc.) e/ou com propriedades graduadas. Um tal controlo consegue-se utilizando um metal original em pó em combinação com um material que compreende carboneto de boro. Além disso, pode misturar-se um material de enchimento com o material que compreende carboneto de boro. Além disso, numa forma de realização preferida, podem usar-se em combinação ou um metal original em pó ou um corpo ou massa líquida de metal original.
Mais especificamente, mistura-se um metal original em pó numa quantidade desejada com um material que compreende carboneto de boro e, optativamente, um material de enchimento. A mistura ê aquecida atê uma temperatura superior ao ponto de fusão do metal original fazendo com que o metal original reaja com o material de carboneto de boro para formar um carboneto do metal original e uma fase de boreto do metal original. Metais originais tais como o zircónio, o titânio, o háfnio, etc., podem ser trans formados em pó e misturados em quantidades variáveis com um material contendo carboneto de boro. 0 metal original em pó, depois de reagir com o carboneto de boro, formará poros com uma dimensão relativa correspondente à das partículas do metal em pó que tinham anteriormente ocupado o espaço na mistura. Especificamente, se se tiverem misturado partículas de metal em pô relativamente grandes com o material de carboneto de boro, obter-se-iam maiores dimensões dos poros relativamente ao uso de partículas de metal original relativamente mais pequenas. Além disso, a percentagem, em volume, de metal original em partículas relativamente ao carboneto de boro pode também influenciar o grau de porosidade (isto ê, quando aumentar a quantidade de metal original em partículas, poderá também aumentar o grau de porosidade gerada num corpo formado). Além disso, a compactação relativa da mistura de metal original e carboneto de boro pode afectar a porosidade do corpo formado. Especificamente, quando se aplica uma pressão a uma mistura de carboneto de boro e metal original, donde resulta uma maior compactação das partículas, o corpo resultante pode ter relativamente menos porosidade a seguir à infiltração, em comparação com corpos formados sem compactação das partículas.
Combinando um metal original em pó com um material com carboneto de boro, ê possível controlar um corpo formado de modo tal que ele pode ser denso numa sua superfície e relativamente poroso numa outra superfície ou numa outra parte do corpo. Um tal efeito pode conseguir-se misturando partículas relativamente grandes de metal original com carboneto de boro junto de uma superfície do corpo que se deseja que seja relativamente porosa, e misturan- 19 do partículas reiativamente pequenas de metal original em pó com carboneto de boro numa parte do corpo que se deseja que seja reiativamente densa. Além disso, compactando as partículas na mistura de metal original e carboneto de boro numa parte da mistura de maneira mais densa reiativamente a uma outra parte da mistura, é possível controlar a porosidade relativa do corpo numa zona do corpo em comparação com uma outra zona do corpo. Além disso, um corpo formado poderia ser controlado de modo tal que poderia ser denso numa superfície e reiativamente poroso numa outra, variando a quantidade de material de enchimento com as mesmas dimensões e/ou variando a forma relativa das partículas de material de enchimento numa parte do corpo em oposição a outra parte do corpo.
Numa outra forma de realização preferida, podem misturar-se dois ou mais metais originais numa quantidade desejada com um material com carboneto de boro e, optativamente, um material de enchimento. Os metais originais tais como o zircónio, o titânio, o háfnio, etc., podem ser reduzidos a pó e misturados, em combinações de dois ou mais (por exemplo zircónio e titânio), em quantidades variáveis, com material contendo carboneto de boro. Além disso, as dimensões relativas dos metais originais misturados podem variar-se por forma a influenciar o grau de porosidade e/ou as propriedades do corpo formado. Além disso ainda, podem colocar-se metais originais diferentes em zonas diferentes do material de carboneto de boro. Especificamente, uma superfície ou porção de um material de carboneto de boro pode conter pó de zircónio, enquanto uma superfície ou porção diferente do material de carboneto de boro pode conter pó de titânio.
Numa outra forma de realização preferida, pode misturar-se metal original em pó com carboneto de boro em apenas uma parte do material de carboneto de boro.
Assim, a quantidade de metal original em pó proporcionada pode ser insuficiente para reagir completamente com o material de carboneto de boro. Por conseguinte, em alguns casos pode ser necessário proporcionar além do metal original em pó, um corpo fundido ou uma massa líquida de metal original que também reagirá com o material de carboneto de boro. Uma tal reacção seria um processo de infiltração reactiva, como se descreveu, por exemplo, no pedido de patente de invenção norte-americana N2 073 533. Além disso, de preferência, uma tal infiltração reactiva ocorreria num sentido num material de carboneto de boro substancialmente oposto localizado a partir do metal original em pé. Especificamente, se se formasse um pré-molde com a forma de uma placa e apenas um dos lados da placa incluísse metal original em partículas, então poderia induzir-se a infiltração reactiva a partir do lado da placa oposta (por exemplo a mais afastada) à localização do metal original em partículas.
Numa outra forma de realização, pode misturar-se metal original em pó (isto é um só metal original ou uma combinação de dois ou mais metais originais) com carboneto de boro em apenas uma parte do material de carboneto de boro proporcionando-se deste modo uma quantidade
de metal original insuficiente para reagir até ao fim (completamente) com o material de carboneto de boro. Por conseguinte, pode proporcionar-se um corpo ou massa fundida de um metal original com uma composição diferente (por exemplo um metal original diferente do metal original no carboneto de boro ou uma combinação de dois ou mais metais originais) além dos metais originais em pó no material de carboneto de boro.
Ainda numa outra forma de realização, podem variar-se as dimensões das partículas do material de carboneto de boro para controlar a porosidade do corpo formado. Especificamente, variando as dimensões das partículas do material de carboneto de boro que homogeneamente em todo o corpo, quer numa distribuição escalonada, por afectar-se a porosidade do corpo formado. Além disso, variando as dimensões das partículas de qualquer material de enchimento que, optativamente, possa adicionar-se ao material de carboneto de boro, pode afectar-se a porosidade do corpo formado.
Exemplo 1
Misturou-se manualmente uma mistura homogénea de cerca de 10 g de B^C (320 grit da ESK) e cerca de 70 g de pó de zircónio (-325 mesh da Consolidated Astronautics), agitando os pôs num recipiente Nalgene. Colocaram-se aproximadamente 20 g da mistura de pós num cadinho de grafite de 25 mm (1) de diâmetro (Cadinho de grafite ATJ da Graphite Die Mold Co.) e comprimiram-se com uma matriz de 25 mm (1) com uma pressão de cerca de 351,54 Kg/cm (5000 psi). Depois da compressão, a espessura do pré-molde
- 22 de B^C/zircónio era de cerca de 23 mm (0,9).
Colocou-se o conjunto formado pelo cadinho de grafite e o seu conteúdo num forno de vácuo. Evacuou-se o forno e reencheu-se com árgon fluindo com um caudal de cerca de 2 1/minuto, donde resultou uma pressão de cerca de 0,14 Kg/cm ( 2 psi) na câmara. Repetiu-se a fase de evacuação e aqueceu-se o sistema, sob atmosfera de árgon, desde a temperatura ambiente até cerca de 200°C no decurso de 2 horas, manteve-se durante cerca de 2 horas, aqueceu-se desde cerca de 200°C até cerca de 35O°C a cerca de 20°C por hora, aqueceu-se depois de cerca de 35O°C atê cerca de 45O°C no decurso de cerca de 2 horas e desde cerca de 450°C até cerca de 1 75O°C no decurso de cerca de 4 horas. Manteve-se a temperatura a cerca de 1 75O°C durante cerca de 1 hora, aqueceu-se depois desde cerca de 1 75O°C até cerca de 1 900°C no decurso de cerca de 1 hora e manteve-se durante cerca de 2 horas a cerca de 1 900°C. Arrefeceu-se depois o sistema atê â temperatura ambiente no decurso de cerca de 8 horas.
Depois de retirar do forno, observou-se que o zircônio se infiltrou reactivamente no pó de B^C para formar um compósito com porosidade, como se mostra nas fig. 1 e 2.
Exemplo 2
Misturou-se manualmente uma mistura homogénea de cerca de 10 g de B^C (500 grit da ESK) e cerca de 70 g de zircônio em pó (-50 mesh da Atlantic Equipment Engineering), agitando a mistura dos pôs num recipiente
- 23 Nalgene. Colocaram-se cerca de 19,8 g da mistura de pós num cadinho de grafite com o diâmetro de cerca de 25 mm (1) (Cadinho de grafite ATJ da Graphite Die tóold Co.) e comprimiu-se com uma matriz de cerca de 25 mm (1) com uma pressão de cerca de 22,85 Kg/cm (325 psi). Depois da compressão, a espessura do pré-molde de B^C/zircônio era de cerca de 13 mm (0,5”).
Colocou-se o conjunto, constituído pelo cadinho de grafite e o seu conteúdo, num forno de vácuo. Evacuou-se o forno e reencheu-se com árgon fluindo com um caudal de cerca de 2 l/minuto, donde resultou uma pressão de cerca de 0,14 Kg/cm (2 psi) na câmara. Repetiu-se a fase de evacuação e aqueceu-se o sistema sob atmosfera de árgon desde a temperatura ambiente até cerca de 200°C em cerca de 2 horas, manteve-se durante cerca de 2 horas, aqueceu-se desde cerca de 200°C atê cerca de 35O°C a cerca de 20°C por hora, aqueceu-se em seguida desde cerca de 35O°C atê cerca de 45O°C no decurso de cerca de 2 horas e desde cerca de 45O°C até cerca de 1 75O°C em cerca de 4 horas. Manteve-se a temperatura a cerca de 175O°C durante cerca 1 hora, aqueceu-se depois desde cerca de 1 750°C atê cerca de 1 900°C em cerca de 1 hora e manteve-se cerca de 2 horas a cerca de 1 900°C. Arrèfeceu-se depois o sistema atê à temperatura ambiente em cerca de 8 horas.
Depois de retirar do forno, observou-se que o zircônio se tinha infiltrado reactivamente no pó de B^G para formar um corpo compósito com porosidade, como se mostra nas fig. 3 θ 4.
Exemplo 3
Preparou-se uma mistura homogénea de cerca de 9 gramas de B^C (1 000 grit da ESK) e cerca de ô30 g de pó de zircônio (-50 mesh, da Atlantic Equipment Engineering, designado por Zr 307), manualmente e agitando os pós num recipiente de Nalgene. Carregou-se a mistura num cadinho de grafite de cerca de 51 x 51 x 51 mm (2” x 2” x 2”) (cadinho de grafite ATJ da Graphite Die Mold Co.) compactando o pó manualmente atê uma espessura de cerca de 0,89 cm (0,35”).
Colocou-se o conjunto, constituído pelo cadinho de grafite e o seu conteúdo, num forno de vácuo. Evacuou-se o forno e reencheu-se com árgon fluindo a cerca de 2 1/minuto, resultando daí uma pressão de cerca de 0,14 Kg/cm (2 psi) na camara. Repetiu-se a operação de evacuação e aqueceu-se o sistema no vácuo atê cerca de 1 000°C.
A uma temperatura de cerca de 1 000°C fez-se passar árgon para o interior do forno com um caudal de cerca de 2 1/minuto. Aqueceu-se depois progressivamente o sistema atê cerca de 1 900°C, sendo de 10 horas o tempo necessário para aquecer o sistema desde a temperatura ambiente atê cerca de 1 900°C. Manteve-se a temperatura a cerca de 1 900°G durante cerca de 2 horas, e depois diminui-se progressivamente até à temperatura ambiente em cerca de 12 horas.
Apôs a retirada do forno, verificou-se que o zircônio se tinha infiltrado reactivamente no B^C em pó para formar um corpo compósito que compreende boreto de zircônio e carboneto de zircônio e apresenta porosidade.
Claims (1)
- REIVINDICAÇÕES1.- Processo para a produção de um corpo auto-suportado, caracterizado por incluir as fases de:misturar um metal original em partículas, em pelo menos uma porção de um material de carboneto de boro, e fazer reagir o referido metal original em partículas com o referido material de carboneto de boro numa atmosfera substancialmente inerte para formar pelo menos um composto contendo boro; e continuar a referida reacção durante um tempo suficiente para produzir um corpo auto-suportado que compreende pelo menos um composto do metal original contendo boro, apresentando o corpo auto-suportado uma porosidade graduada.
Applications Claiming Priority (1)
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