PT94740A

PT94740A - Processo de formacao de corpos compositos com matriz metalica por um processo de vacuo auto-gerado

Info

Publication number: PT94740A
Application number: PT94740A
Authority: PT
Inventors: Ratnesh Kumar Dwivedi; Robert Campbell Kantner
Original assignee: Lanxide Technology Co Ltd
Priority date: 1989-11-07
Filing date: 1990-07-17
Publication date: 1991-07-05
Also published as: YU139790A; EP0427658A3; CS354890A3; AU5878490A; IL94959A; FI91613C; ZA905591B; EP0427658A2; PL166555B1; CA2020672A1; JP3256218B2; BG92464A; FI903609A0; HU904203D0; TR27133A; AU641666B2; JPH03153832A; IE902463A1; BR9003430A; NZ234366A

Description

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PROCESSO DE FORMAÇÃO DE CORPOS COMPOSITOS COM MATRIZ METÁLICA POR UM PROCESSO DE VÁCUO AUTO-GERADO

Campo da invenção A presente invenção refere-se k formação de corpos compósitos com matriz de metal. Em particular# um metal da matriz fundido é posto em contacto com ura material de enchimento ou um pré-molde na presença de uma atmosfera reactiva e, pelo menos num certo instante durante o processo, o metal da matriz fundido reage, par cialmente ou de maneira substancialmente completa, com a atmosfera reactiva, fazendo assim com que o metal da matriz fundido se infiltre no material de enchimento ou no pré-molde, devido, pelo menos em parte, k criação de um vácuo autogerado. Uma:tál infiltração por vácuo autogera-do verifica-se sem a aplicação de qualquer pressão ou vácuo exteriores.

Fundamento da invenção

Os produtos compósitos que compreendem um metal de matriz e uma fase de fortalecimento ou reforço, tal como uma fase de partículas cerâmicas, filamentos emaranhados, fibras ou similares, apresentam-se muito promissores para uma certa variedade de aplicações, porque combinam alguma da rijeza e resistência ao desgaste da fase de reforço com a ductilidade e tenacidade da matriz de metal. Geralmente, um compósito com matriz de metal apresentará uma melhoria em propriedades tais como a resistência mecânica, a rijeza, a resistência ao desgas te por contacto e elevada manutenção da resistência ás temperaturas elevadas, relativamente ao metal da matriz na 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 são processados na formação 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 em partículas, plaquetas ou filamentos emaranhados, por exemplo, têm interesse devido á sua elevada rijeza, resistência ao desgaste e resistência ás temperaturas elevadas, relativamente ao alumínio. Têm sido descritos vários processos metalúrgicos para a fabricação de compósitos com matriz de alumínio, incluindo processos baseados nas técnicas da metalurgia dos pós e nas técnicas de infiltração de metal líquido, que utilizam vazamento sob pressão, vazamento sob vácuo, agitação e agentes molhantes.

Com as técnicas da metalurgia dos pós, misturam-se o metal sob a forma de pó e o material de reforço sob a forma de pó, filamentos emaranhados, fibras cortadas, etc, sendo depois comprimidos a frio, sinteri-zados ou comprimidos a quente. A produção de compósitos com matriz de metal pelas técnicas da metalurgia dos pós i 3 utilizando processos convencionais impõe certas limitações relativamente ás características dos produtos que podem ser obtidos. A percentagem, em volume, da fase cerâmica no compósito é limitada/ no caso dos materiais em partículas, tipicamente a cerca de 40%. Também a operação de pressão coloca um limite às dimensões práticas que podem obter-se. Apenas formas relativamente simples dos produtos são possíveis sem processamento subsequente (por exem pio modelação ou maquinagem), ou sem recorrer a prensas complexas. Também pode ocorrer uma contracção não uniforme durante a sinterização, bem como não uniformidade da microstrutura/ devido á segregação nos compactos e cresci mento dos grãos. A patente americana Ns 3 970. 136, concedida em 2G de Julho de 1976 a J.C. Cannell et al, descreve um processo para a formação de ura compósito com matriz de metal que incorpora um reforço fibroso, por exemplo filamentos emaranhados de carboneto de silício ou de aluraina, com um padrão pré-determinado da orientação das fibras. 0 compósito é fabricado colocando esteiras ou feltros paralelos de fibras complanares num molde com um reservatório de metal da matriz fundido, por exem pio alumínio, entre pelo algumas das esteiras, e aplicando pressão para forçar o metal fundido a penetrar nas esteiras e envolver as fibras orientadas. 0 metal fundido pode ser vazado sobre a pilha de esteiras, enquanto é forçado, sob pressão, a escoar-se entre as esteiras.

Foram indicadas cargas até cerca de 50%, em volume de fibras de reforço no compósito. O processo de infiltração atrás descrito, tendo em vista a sua dependência da pressão exterior para forçar o metal da matriz metálica através da pilha de esteiras de fibras, é sujeito aos caprichos dos processos de escoamento induzidos por pressão, isto é, a uma possível falta de uniformidade da formação da matriz, porosidade, etc. A não uniformidade de propriedades é possível mesmo que o metal., fundido possa ser introduzido em vários sítios no interior do agregado de fibras. Por conseguinte é necessário proporcionar disposições complicadas das esteiras e do reservatório, bem como trajectos de escoamento complicados para conseguir uma penetração apropriada e uniforme da pilha de esteiras de fibras. Também o processo de infiltração por pressão atrás referido apenas permite um reforço relativamente reduzido da percentagem em volume da matriz, devido à dificuldade inerente á infiltração de um gfrande volume de esteiras. Além disso ainda, são necessários moldes para conter o metal fundido sob pressão, o que aumenta os custos do processo. Finalmente o processo atrás referido, limitado á infiltração de partículas ou fibras alinhadas, não se orienta para a formação de compósitos com matriz de metal reforçados com materiais sob a forma de partículas, filamentos emaranhados ou fibras com orientações aleatórias.

Na fabricação de compósitos com matriz de alumínio com material de enchimento de alumina, o alumínio não molha facilmente a alumina, tornando assim difí cil formar um produto coerente. Podem fazer-se as mesmas considerações para outras combinações de metais da matriz 5 5

-material de enchimento. Têm sido sugeridas várias soluções para este problema. ITma dessas propostas consiste em revestir a alumina com um metal (por exemplo níquel ou tungsténio), que é depois comprimido a quente juntamente com o alumínio. Numa outra técnica, forma-se uma liga do alumínio com lítio e pode revestir-se a alumina com sílica. Contudo, esres compósitos apresentam variações nas suas propriedades ou os revestimentos podem degradar o material de enchimento, ou a matriz contém lítio, que pode afectar as propriedades da matriz. A patente americana Ns 4 232 091 de R. W. Grimshaw et al vence algumas destas dificuldades técnicas que se encontram na produção de compósitos de matriz de alumínio com alumina. Esta patente descreve a aplicação de pressões de 75-375 kg/cm para forçar o alumínio fundido (ou liga de alumínio fundida) para o interior de uma esteira de fibras ou filamentos emaranhados de alumina que foi aquecida previamente a 700 a 1050°C.

J A relação máxima entre os volumes de alumina e metal na peça moldada sólida era 1/4. Devido à sua dependência de uma fòrça exterior para conseguir obter a infiltração, este processo sofre de muitas das mesmas deficiências do processo de Cannell et al. 0 pedido de patente europeu publicado N2 115 742 descreve a fabricação de compósitos de alumí-nio-alumina especialmente utilizáveis como componentes de células electrolíticas, preenchendo os vazios de uma matriz de alumina pré-moldada com alumínio fundido. 0 pedido de patente dá realce à, ausência de molhabilidade da 6 κ alumina pelo alumínio# sendo por isso usadas várias técni cas para molhar a alumina através de todo o pré-molde.

Por exemplo# reveste-se a alumina com um agente molhante de um diboreto de titânio# zircónio# háfnio ou nióbio ou com um metal# isto é# lítio# magnésio# cálcio# titânio# crómio# ferro# cobalto, níquel, zircónio ou háfnio. TJti-lizam-se atmosferas inertes# tais como árgon# para faciljl tar o molhamento. Esta referência mostra também a aplicação de pressão para fazer o alumínio fundido penetrar numa matriz não revestida. Neste aspecto# a infiltração obtém-se evacuando os poros e depois aplicando pressão ao alumínio fundido numa atmosfera inerte# por exemplo de árgon. Em alternativa# o pré-molde pode ser infiltrado por deposição de alumínio em fase de vapor para molhar a superfície antes do preenchimento dos vazios por infiltração com alumínio fundido. Para garantir a retenção do alumínio nos poros do pré-molde# é necessário um tratamento térmico# por exemplo a 1 400 a 1800°C# ou no vácuo ou em árgon. Caso contrário, quer a exposição do material infiltrado sob pressão ao gás# quer a pressão de infiltra ção provocarão perda de alumínio do corpo. A utilização de agentes molhantes para efectuar a infiltração de um componente de alumina numa célula electrolítica com metal fundido é também apresentada no pedido de patente europeu Ns 94 353, Esta publicação descreve a produção de alumínio por electro-extrac-çao com uma célula com um alimentador de corrente catódica sob a forma de um forro ou substrato da célula. A fim de proteger este substrato da criolite fundida, aplica-se um f 7 ./· fino revestimento de uma mistura de um agente molhante e um supressor de solubilidade ao substrato de alumina antes do arranque da célula ou enquanto está imersa no alumínio fundido produzido pelo processo electrolítico.

Os agentes molhantes apresentados são o titânio, o zir-cónio, o háfnio, o silício, o magnésio, o vanádio, o crómio, o nióbio, o cálcio, sendo o titânio considerado como o agente preferido.

Descrevem-se compostos de boro, de carbono e de azoto como podendo ser usados na supressão da solubilidade dos agentes molhantes no alumínio fundido. No entanto, a referência não sugere a produção de compós,i tos com matriz de alumínio.

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Além da aplicação de pressão e de agentes molhantes, revelou-se que um vácuo aplicado auxiliará a penetração do alumínio fundido no interior de um compacto cerâmico poroso. Por exemplo, a patente americana N2 3 718 441, concedida em 27 de Fevereiro de 1973 a R.L. Landingham revela a infiltração de um compacto cerâmico Cpor exemplo carboneto de boro, alumina e óxido de berílio) quer com alumínio, quer com berílio, magnésio, titânio, vanádio, níquel ou crómio fundidos, sob um vácuo inferior a 10 torr. Um vácuo de 10 a 10 torr conduz a um molhamento fraco da cerâmica pelo metal fundido numa extensão tal que o metal não fluirá livremente para o interior dos espaços vazios da cerâmica. Porém, afirmou- -se que o molhamento melhora quando se reduz o vácuo para —6 menos de 10“ torr. A patente americana Na 3 864 154 con- *v. 8 cedida em 4 de Fevereiro de 1975 a G.E. Gazza et al também apresenta a utilização de vácuo para conseguir a infiltração. A patente descreve a carga de um compacto, pren sado a frio, de AlB^ era P<$ num leito de pó de alumínio prensado a frio. Colocou-se depois alumínio adicional no topo do compacto de pó de AlB^· Colocou-se o cadinho, carregado-com- o compacto de A1B^2 "ensanduichado" entre as camadas de pó de alumínio, num forno de vácuo. Evacuou -5 -se o forno até cerca de 10 torr para permitir a extrac-çlo dos gases, Subiu-se depois a temperatura a 1 100°C e manteve-se durante 3 horas. Nestas condições, o alumínio fundido penetrou no compacto de AlB^2 poroso.

Um processo para a fabricação de materiais compósitos contendo material de reforço, tal como fibras, arames, pó, filamentos emaranhados ou similares, é apresentado no pedido de patente europeu N2045 002 publicado em 3 de Eevereiro de 1982, em nome de Donomoto. Produz-se um material compósito colocando um material de reforço poroso (por exemplo fibras de alumina, de carbono ou de boro alinhadas) não reactivo cora a atmosfera e um metal fundido (por exemplo magnésio ou alumínio) num recipiente com uma parte aberta, insuflando oxigénio substancialmente puro para o interior do recipiente, imer gindo depois o recipiente numa massa líquida de metal fundido, de modo que o metal fundido infiltra-se nos interstícios do material de reforço. A publicação descreve que o metal fundido reage com o oxigénio presente no reci piente para formar um molde de metal sólido oxidado, criando um vácuo no recipiente que extrai o metal fundido 9 através dos interstícios do material de reforço e para o interior do recipiente. Numa forma de realização alterna tiva# a publicação descreve a colocação de um elemento absorvedor de oxigénio (por exemplo magnésio) no interior do recipiente para reagir com o oxigénio no recipiente para criar um vácuo que# com a ajuda da aplicação de árgon. 2 a uma pressão de 5o 3cg/cm ao metal fundido# arrasta o metal fundido tpor exemplo, alumínio) para o interior do recipiente cheio com material de reforço (por exemplo fibras de carbono alinhadas).. A patente americana Ns 3 867 17T concedida em 18 de Fevereiro de 1975 a J.«X. Oto et al# descreve um processo para a impregnação de um corpo poroso com um metal# pondo em primeiro lugar o corpo em contacto com um "metal activador", imergindo depois o corpo num "metal de enchimento". Especificemente# imerge-se uma esteira ou corpo compactado poroso de material de enchimento num metal activador fundido# durante um tempo suficiente para encher completamente os interstícios do corpo com metal activador fundido pelo processo da patente 3 364 976 de Reding et al atrás descrito. Depois# após a solidificação do metal activador# mergulha-se completamente o corpo compósito num segundo metal e mantém-se durante um tempo suficiente para permitir que o segundo metal substitua o metal activador no grau desejado. Deixa--se depois arrefecer o corpo formado. S também possível remover# pelo menos parcialmente# o metal de enchimento do interior do corpo poroso e substitui-lo por pelo menos um terceiro metal# mais uma vez mergulhando parcial ou totalmente o corpo poroso num metal de substituição fundido durante um tempo suficiente para dissolver ou difundir uma quantidade desejada de metal de substituição no interior do corpo poroso. 0 corpo resultante pode também conter compostos intermetálicos dos metais nos interstícios entre o material de enchimento. A utilização de um processo com múltiplas fases, incluindo o uso de um metal activador para formar um compósito com uma combinação desejada é dispendiosa, quer em tempo, quer em dinheiro. Além disso, as limitaçSes do processo baseadas, por exemplo, na compatibilidade dos metais Cisto é, a solubilidade , o ponto de fusão, a reactividade, etc) limitam a capacidade para pré-determinar as características do material para uma finalidade desejada. A patente americana N2 3 529 655, con cedida em 22 de Setembro de 1970 a G.D. Lawrence, descreve um processo para formar compósitos de magnésio ou de ligas de magnésio e filamentos emaranhados de carboneto de silício. Especificamente, mergulha-se um molde, com pelo menos uma abertura para a atmosfera e contendo filamentos emaranhados de carboneto de silício no volume interior do molde, num banho de magnésio fundido, de modo que todas as aberturas no molde fiquem abaixo da superfície do magnésio fundido durante um tempo suficiente para que o magnésio preencha o volume restante da cavidade do molde. Afirma-se que, quando o metal fundido entra na cavidade do molde, ele reage com o ar contido no seu interior para formar pequenas quantidades de óxido de magnésio e de nitreto de magnésio, formando desse modo um 11 vácuo, que arrasta metal fundido a dicional para o interior da cavidade e entre os filamentos emaranhados de carboneto de silício, 0 molde cheio é depois retirado do banho de magnésio fundido e deixa-se solidificar o magnésio no molde, A patente americana N2 3 364 976, concedida em 23 de Janeiro de 1968 a John N. Reding et al, descreve a criação de um vácuo autogerado num corpo para promover a penetração de um metal fundido no interior do corpo. Especificamente, mergulha-se um corpo, por exemplo um molde de grafite ou de aço, ou um material refractário poroso, completamente num metal fundido, por exemplo magnésio, liga de magnésio ou liga de alumínio. No caso de um molde, a cavidade do molde, que está cheia com um gás, por exemplo ar, que é reactivo com o metal fundido, comunica com o metal fundido colocado exteriormente através de pelo menos um orifício no molde. Quando se mergulha o molde no metal em fusão, verifica-se o enchimento da cavidade, quando se produz um vácuo devido ã reacção entre o gás na cavidade e o metal fundido; em particular, o vácuo é uma consequência da formação de um molde sólido oxidado a partir do metal. A patente americana Ne 3 396. 777 concedida em 13 de Agosto de 1968 a John N. Reding Jr., descreve a criação de um vácuo autogerado, para promover a penetração de um metal fundido no interior de um corpo de material de enchimento. Especificamente, a patente descreve um recipiente de aço ou de ferro, aberto para a atmosfera numa extremidade, contendo o recipiente um - 12 material sólido poroso em partículas, por exemplo coque ou ferro, e estando coberto na extermidade aberta com uma tampa com perfurações ou furos de passagem de diâmetro menor do que as dimensões das partículas do material de enchimento sólido poroso. 0 recipiente também aloja uma atmosfera, por exemplo de ar, no interior dos poros do material de enchimento sólido que é pelo menos parcialmente reactiva com o metal-fundido, por exemplo magnésio, alumínio, etc. A tampa do recipiente é mergulhada até uma distância suficiente abaixo da superfície do metal fundido para impedir que entre ar no recipiente, sendo a tampa mantida abaixo da superfície durante um tempo suficiente para que a atmosfera no recipiente reaja com o metal fundido para formar um produto sólido. A reacção entre a atmosi fera e o metal fundido dá como resultado uma pressão baixa ou substancialmente um vácuo no interior do recipiente e um sólido poroso, que arrasta o metal fundido para o interior do recipiente e dos poros do sólido poroso. 0 processo de Reding Jr. está um tanto relacionado com o processo descrito na publicação europeia NS 045 0Q2 e nas patentes americanas 3 867 177 , 3 529 655 e 3 364 974, todas aqui discutidas. Especifica-mente esta patente de Reding Jr. proporciona um banho de metal fundido no qual um recipiente, contendo no seu interior um material de enchimento, é mergulhado profunda-mente o suficiente para induzir uma reacção entre o gás na cavidade e o metal fundido e para vedar a cavidade com o metal fundido. Num outro aspecto desta patente, a superfície do banho de metal da matriz fundido, que pode ser sujeito a oxidação no estado fundido quando em contacto com o ar ambiente# é coberta com uma camada ou fundente protector. 0 fundente é removido quando o recipiente é introduzido no metal fundido# podendo no entanto contami-nantes provenientes do fundente ser incorporados no banho de metal da matriz fundido e/ou no interior do recipiente e do material sólido poroso a infiltrar. Tal contaminação mesmo que em níveis muito baixos# pode ser inconveniente para a formação do vácuo no recipiente# bem como para as propriedades físicas do compósito resultante. Além disso# quando se retira o recipiente do banho de metal da matriz fundido e se arrasta metal da matriz em excesso do recipiente# pode verificar-se perda de metal da matriz a partir do corpo infiltrado# devido a forças gravitacio— nais.

Por conseguinte tem havido- desde há muito tempo uma necessidade sentida de um processo simples e fiável para a produção de compósitos com matriz de metal que não se baseie na utilização de uma pressão aplicada exteriormente ou de um vácuo# danificando os agentes de molhamento ou a utilização de uma massa de metal da matriz fundido# com os inconvenientes que a acompanham# como atrás se notou. Além disso, tem-se sentido há muito a necessidade de um processo que minimize as operaçóes finais de maquinagem necessárias para produzir um corpo compósito com matriz de metal. A presente invenção satisfaz esta e outras necessidades proporcionan do um processo que envolve um vácuo autogerado para infil trar um material Cpor exemplo um material cerâmico)# que 14 / possa ser modelado para formar um pré-molde, com um metal da matriz fundido Cpor exemplo alumínio, magnésio, bronze, cobre, ferro fundido, etc) na presença de uma atmosfera reactiva (por exemplo ar, azoto, oxigénio, etc) nas condições normais da pressão atmosférica.

Descrição de patentes de invenção e pedidos de patentes de invenção do mesmo proprietário

Descreve-se um processo novo para a formação de um compósito com matriz de metal por infiltra ção de uma massa permeável de material de enchimento contido num molde compósito de matriz de cerâmica no pedido patente americano do mesmo proprietário Ns 142 385, depositado em 11 de Janeiro de 1988, por Dwivedi et al, e intitulado "Method of Making Metal Matrix Composites", agora concedido nos Estados Unidos. De acordo com o processo de Dwivedi et al, forma-se um molde pela oxidação directa de um metal precursor fundido, ou metal original, com um oxidante, para desenvolver ou fazer crescer ura pro duto da reacção de oxidação policristalino que embebe pelo menos uma porção de um pré-molde constituido por um material de enchimento apropriado (designado por "primeiro material de enchimento"). 0 molde formado de compósito de matriz cerâmica é depois provido de um segundo material de enchimento e o molde posto em contacto com metal fundido, vedando-se hermeticamente os conteúdos do molde, o mais tipicamente introduzindo pelo menos um metal fundido na entrada ou abertura que veda o molde, o leito hermeticamente vedado pode conter ar retido, mas o ar retido e f 15 f 15

o conteúdo do molde estão Isolados ou vedados de modo a excluir ou não deixar entrar o ar exterior ou ar ambiente. Proporcionando um ambiente hermético, consegue-se . obter a infiltração efectiva do segundo material de enchi mento a temperaturas moderadas do metal fundido, obviando-se, ou eliminando-se, portanto a necessidade de agenfees molhantes, ingredientes especiais de liga no metal da matriz fundido, pressão mecânica aplicada, vácuo aplicado, atmosferas gasosa especiais ou outros expedientes de infiltração. O processo de Dwivedi et al, foi aperfeiçoado por Kantner et al., no pedido de patente de invenção copendente do mesmo proprietário US 07/381 523, depositado em 18 de Julho de 1989 e intitulado "A Method of Forming Metal Matrix Gomposite Bodies By A Self-Gene-rated Vacuum Process and Products Produced Therefrom".

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De acordo com o processo de Kantner et al., fabrica-se um recipiente impermeável e coloca-se um material de enchimento ou um pré-molde no interior do recipiente. Funde -se então um metal da matriz e coloca-se em contacto com o material de enchimento ou o pré-molde. Forma-se depois um meio de vedação para isolar qualquer atmosfera ambiente da atmosfera reactiva contida no interior do material de enchimento ou do pré-molde. Forma-se então um vácuo auto-gerado no interior do recipiente, que tem como consequência a infiltração do metal da matriz fundido no material de enchimento ou pré-molde. Depois o metal da matriz é arrefecido (por exemplo solidificado direccional mente) e retira-se o corpo compósito com matriz de metal 16 / formado do recipiente. Kantner et al. revelam um certo número de combinações diferentes de metal da matriz e material de enchimento apropriadas para utilizar na invenção descrita.

Uma outra invenção de Kantner et al. está contida no pedido de patente de invenção norte-americana copendente e do mesmo proprietário N2 07/383 935, depositado em 21 de Julho de 1989, e intitulada "A Method of Forming Macrocomposite Bodies By Self-Generated Vãcuum Techniques, and Products Produced Therefrom". De acordo com o processo deste pedido de patente de Kantner et al., utiliza-se um sistema de reacção semelhante ao apresentado no pedido de patente de invenção N2 07/381 523. Porém, nesta invenção, antes da.-infiltração, coloca-se o material de enchimento ou o pré-molde adjacente a, ou em contacto com pelo menos um segundo material tal que depois da infiltração do material de enchimento ou do pré-molde, o material infiltrado é ligado a pelo menos uma porção do segundo material, formando assim um corpo macrocompósito.

Os pedidos de patente de invenção atrás discutidos do mesmo proprietário descrevem processos para a produção de corpos compósitos com matriz de metal e corpos novos (quer corpos compósitos, quer corpos macro compósitos com matriz de metal) que são produzidos pelos mesmos. Incorporam-se aqui por referência as descrições completas de todos os pedidos de patente de invenção do mesmo proprietário. - 17

Sumário da invenção

No processo segundo a presente invenção, produz-se ura novo corpo compósito com matriz de metal, por uma técnica nova de vácuo autogerado, no qual um metal da matriz fundido infiltra uma massa permeável de material de enchimento ou um pré-molde permeável, dispostos num recipiente impermeável, Especificamente, um metal da matriz fundido e uma atmosfera reactiva são ambos postos em comunicação com a massa permeável, pelo menos em algum instante durante o processo e, após o contacto entre a atmosfera reactiva e o metal da matriz e/ou o material de enchimento ou o pré-molde e/ou o recipiente imper meável, gera-se um vácuo, do qual resulta a infiltração do metal da matriz fundido no material de enchimento ou? pré-molde.

Numa primeira forma de realização, proporciona-se um sistema de reacção que compreende um recipiente impermeável, um material de enchimento nele contido em contacto com um metal da matriz fundido na presença de uma atmosfera reactiva, e um meio de vedação para vedar o sistema de reacção da atmosfera ambiente, A atmosfera reactiva reage, ou parcialmente ou de maneira substancialmente completa, com o metal da matriz fundido e/ou com o material de enchimento e/ou com o recipiente impermeável para formar um produto da reacção que pode criar um vácuo, arrastando desse modo metal da matriz fundido pelo menos parei alimente ^para o interior do material de enchimento, A reacção que envolve a atmosfera reactiva e o metal da matriz fundido e/ou o material de 18 / enchimento e/ou o recipiente impermeável pode continuar durante um tempo suficiente para permitir que o metal da matriz fundido se infiltre parcialmente ou de maneira substancialmente completa no material de enchimento ou no pré-molde. Pode proporcionar-se um meio extrínseco de vedação para vedar o sistema de reacção# com uma composição diferente da do metal da matriz.

Numa outra forma de realização preferida# o metal da matriz pode reagir com a atmosfera ambiente para formar um meio químico de vedação intrínseco# com uma composição diferente da do metal da matriz# que veda o sistema da reacção da atmosfera ambiente.

Numa outra forma de realização da presente invenção# em vez de proporcionar um meio de vedação extrínseco para vedar o sistema de reacção# pode formar-se uma vedação física intrínseca pelo metal da matriz que molha o recipiente impermeável, vedando assim o sistema da reacção da atmosfera ambiente.

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Além disso, pode ainda ser possível incorporar aditivos componentes de ligas no metal da matriz, o que facilita o molhamento do recipiente impermeável pelo metal da matriz, vedando assim o sistema da reac— ção da atmosfera ambiente.

Numa outra forma de realização preferida, o material de enchimento pode reagir, pelo menos parcialmente, com a atmosfera reactiva para criar um vácuo que arrasta metal da matriz fundido para o interior do material de enchimento ou do pré-molde. Além disso# podem incorporar-se aditivos no material de enchimento 19 que podem reagir, parcialmente ou de maneira substancialmente completa, com a atmosfera reactiva para criar um vácuo, bem como realçar as propriedades do corpo resultan te. Além disso, além de, ou em vez do material de enchimento e do metal da matriz, o recipiente impermeável pode, pelo menos parcialmente, reagir com a atmosfera reactiva para gerar um vácuo.

Definições

Tal como aqui são usados na memória descritiva e nas reivindicações anexas, os termos seguintes são definidos como se segue: “Lado da liga", como é aqui usado, refere-se ao lado de um compósito com matriz de metal que está inicialmente em contacto com o metal da matriz antes de o metal fundido ter infiltrado a massa permeável de material de enchimento ou o pré-molde. “Alumínio1*, como é aqui usado, significa e inclui essencialmente metal puro (por exemplo um alumínio relativamente puro, sem liga, existente no mercado) ou outras qualidades de metal e ligas do metal tais como os metais existentes no mercado com impurezas e/ou componentes de liga tais como ferro, silício, cobre, magnésio, crómio, zinco, etc. Uma liga de alumínio é, para os fins desta definição, uma liga ou composto intermetá-lico no qual o alumínio é o constituinte mais importante, "Atmosfera ambiente", como é aqui usado, refere-se à atmosfera no exterior do material de enchimento ou do pré-molde e do recipiente impermeável. 20 / /τ ir

Pode ter substancialmente os mesmos constituintes que a atmosfera reactiva ou ter constituintes diferentes.

“Barreira1* ou "meios de barreira*', como é aqui usado, em ligação com corpos compósitos com matriz de metal, significa qualquer meio apropriado que interfere, inibe, impede ou interrompe a migração, o movimento ou similar, do metal da matriz fundido para além de um limite de superfície de uma massa permeável de mafee rial de enchimento ou do pré-molde, onde tal limite de superfície é definido pelos referidos meios de barreira.

Os meios de barreira apropriados podem ser qualquer dos materiais, compostos, elementos, composições ou similares, que, nas condições do processo, mantêm alguma integridade e substancialmente não são voláteis Cisto é, o material de barreira não se volatiliza numa medida tal que se torna não funcional como barreira)·

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Além disso, os "meios de barreira" apropriados incluem materiais que são molháveis ou não molháveis pelo metal da matriz fundido que migra, nas cori dições do processo usadas, desde que o molhamento dos meios de barreira não avance substancialmente para além da superfície do material de barreira (isto é, um molhamento de superfície). Uma barreira deste tipo mostra exibir uma afinidade substancialmente pequena ou nula para o metal da matriz fundido, sendo o movimento para além do limite de superfície definido da massa de material de enchimento ou do pré-molde impedido ou inibido pelos meios de barreira. A barreira reduz qualquer maquinagem ou rectificação finais que possam ser necessárias e define 21 / pelo menos uma parte da superfície do produto compósito com matriz de metal resultante. "Bronze", como é aqui usado, significa e inclui uma liga rica em cobre que pode incluir ferro, estanho, zinco, alumínio, silício, berílio, magnésio e/ou chumbo. Ligas de bronze específicas incluem aquelas nas qual a proporção de cobre é de cerca de 90%, em peso, a proporção de silício é de cerca de 6%, em peso, e a proporção de ferro é cerca de 3%, era peso. "Gareassa" ou**Carcassa de metal da matriz", como é aqui usado, refere-se a qualquer porção do corpo original de metal da matriz que fica, que não foi consumido durante a formação do corpo compósito com matriz de metal e, tipicamente, 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 carcassa pode também incluir em si um segundo metal ou metal estranho. "Ferro fundido", como é aqui usado, refere-se ã família das ligas de ferro fundido nas quais a percentagem de carbono é pelo menos de cerca de 2%, em peso. "Cobre", como é aqui usado, refere-se as qualidades comerciais do metal substancialmente puro, por exemplo com 99%, em peso, de cobre, com qualidades variéiveis de impurezas. Além disso, refere-se também a metais que são ligas ou compostos intermetálicos que não caem dentro da definição de bronze e que contêm cobre como constituinte mais importante. <* - 22

'‘Material de enchimento11, como é aqui usado, pretende-se que inclui quaisquer constituintes iso lados ou misturas de constituintes que são substancialmen te não reactivos com e/ou têm uma solubilidade limitada no metal da matriz, podendo ser monofásicos ou polifási-cos. Os materiais de enchimento podem ser proporcionados numa grande variedade de formas, tais como pós, flocos, plaquetas, microesferas, filamentos emaránhados, pérolas, etc,, e podem ser densos ou porosos, O termo "material de enchimento" pode também incluir materiais de enchimento de cerâmica, tais como alumina ou carboneto de silício sob a forma de fibras, fibras cortadas, partículas, fila mentos emaranhados, pérolas, esferas, esteiras de fibras ou similares, e materiais de enchimento revestidos com cerâmica tais como fibras de carbono revestidas com alumi na ou carboneto de silício para proteger o carbono do ataque, por exemplo, por um metal original de alumínio fundido. Os materiais de enchimento podem também incluir metais, "Recipiente impermeável", como é aqui usado, significa um recipiente que pode alojar ou conter uma atmosfera reactiva e um material de enchimento (ou p pré-molde) e/ou metal da matriz fundido e/ou meios de vedação nas condições do processo, e que é suficientemente impermeável para o transporte de produtos gasosos ou vapores através do recipiente, de modo tal que possa estabelecer-se uma diferença de pressões entre a atmosfera ambiente e a atmosfera reactiva. - 23 - / “Metal da matriz*' ou "Liga de metal da matriz"/ como é aqui 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 está intermisturado com um material de enchimento para formar um corpo compósito com matriz de metal Cpor exemplo depois da infiltração)· Quando um metal especificado for mencionado como metal da matriz, deve entender-se que um tal m metal da matriz inclui esse metal como metal substancial-mente puro, um metal existente no mercado tendo impurezas e/ou componentes de liga nele contidos, um composto inteir metálico ou uma liga em que esse metal é o constituinte mais importante ou predominante. “Compósito com matriz de metal1' ou “MMC1*, como é aqui usado, significa um material que compreende um metal da matriz ou liga interligado bi- ou tridimensionalmente e que embebeu um pré-molde ou material de enchimento. 0 metal da matriz pode incluir vários componentes 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 primário, o mesmo metal que o metal da matriz (por exemplo, se o constituinte primário do metal da matriz for o alumínio, o metal "diferente" pode por exemplo ter um constituinte primário de níquel). “Pré-molde" ou "Pré-molde permeável", como é aqui usado, significa uma massa porosa de material Μ 24 Μ 24

de enchimento ou material de enchimento que é manufacturada com pelo menos um limite de superfície que substancialmente define um limite para a infiltração do metal da matriz, mantendo essa massa substancialmente integridade de forma e resistência em verde suficientes para proporcionar fidelidade dimensional sem quaisquer meios exteriores de suporte antes de ser infiltrado pelo metal da matriz. A massa deve ser suficientemente porosa para permitir a infiltração do metal da matriz. Um pré-molde compreende tipicamente um agregado ou disposição limitada de material de enchimento, homogénea ou heterogénea, e pode ser constituído por qualquer material apropriado Cpor exemplo partículas, pós, fibras, filamentos emaranha dos etc., de cerâmica e/ou de metal, ou quaisquer combinações dos mesmos. Um pré-molde pode existir singularmeji te ou num conjunto.

J "Sistema da reaccão”, como aqui é usado, refere-se à combinação de materiais que apresen^i. tam infiltração por vácuo autogerado de um metal da matriz fundido num material de enchimento ou num pré-molde. Um sistema da reacção compreende pelo menos um recipiente impermeável que contém em si uma massa permeável de material de enchimento ou de um pré-molde, uma atmosfera reac tiva e um metal da matriz. "Atmosfera reactiva", como aqui é usado, significa uma atmosfera que pode reagir com o metal da matriz e/ou com o material de enchimento (ou o pré-molde) e/ou o recipiente impermeável para formar um vácuo autogerado, fazendo desse modo cora que o metal da / ΐ\. ί matriz fundido se infiltre no interior do material de enchimento (ou pré-molde) após a formação do vácuo auto-gerado. "Reservatório", como aqui é usado, significa um corpo separado de metal da matriz, posicionado em relação á massa do material de enchimento ou do pré-molde de modo tal que, quando o metal está fundido, ele pode fluir para encher ou, em alguns casos, proporcio •\ nar inicialmente e depois encher, a porção, segmento ou fonte de metal da matriz que está em contacto com o material de enchimento ou com o pré-molde. "Vedação" ou "meio de vedação", como aqui é usado, refere-se á vedação impermeável aos gases nas condições do processo, quer seja formada independentemente do sistema de reacção tpor exemplo uma vedação extrínseca), quer formada pelo sistema da reacção (por exemplo uma vedação intrínseca), que isola a atmosfera e/ou o recipiente impermeável e/òu o material de enchimento ou o pré-molde. 0 material pode ser adicionado ao metal da matriz, podendo a presença do facilitador da vedação no metal da mfctriz realçar as propriedades do corpo compósito resultante. "Facilitador da vedação", como é aqui usado, é um material que facilita a formação de uma vedação por reacção do metal da matriz com a atmosfera ambiente e/ou com o recipiente impermeável e/ou com o material de enchimento ou pré-molde. o material pode ser adicionado ao metal da matriz e a presença do facilitador da vedação no material da matriz pode melhorar as proprie 26

dades do corpo compósito resultante. 11 Xntensificador de molhamento11, como aqui ê usado, refere-se a qualquer material,que, quando adicionado ao metal da matriz e/ou ao material de enchimento ou ao pré-molde, intensifica o molhamento Cpor exemplo reduz a tensão superficial do metal da matriz fun dido) do material de enchimento ou do pré-molde pelo metal da matriz fundido. A presença de um intensificador do molhamento pode também melhorar as propriedades do corpo compósito com matris de metal.resultante, por exemplo melhorando a ligação eptre o metal da matriz e o material de enchimento.

Breve descrição dos desenhos

Os desenhos anexos são proporcionados para ajudar a compreender a presente invenção# mas não se pretende que limitem os objectivos da presente invenção. Os mesmos números de referência foram usados, sempre que possível, em todas as figuras para designar componentes idênticos. As figuras representam: A fig. 1, uma vista esquemática, em corte, de um conjunto experimental típico de acordo com o processo segundo a presente invenção, utilizando meios de vedação extrínsecos? A fig. 2, um fluxograma simplificado do processo segundo a presente invenção aplicado a um conjunto experimental padrão; A fig. 3, uma vista esquemática em corte de um conjunto experimental típico segundo a pre- / - 27/- ^ * sente invenção# que é utilizado para formar um corpo com pósito com matriz de metal com uma superfície exterior com uma forna bem definida? A fig. 4, uma vista esquemática em corte de um conjunto experimental típico de acordo com o processo segundo a presente invenção, que é utilizado para formar um compósito com matriz de metal com uma cavidade interior com uma forma bem definida? A fig. 5, uma vista esquemática em corte transversal de um conjunto experimental típico de acordo com o processo segundo a presente invenção que é utilizado para formar um corpo compósito com uma forma bem definida com dimensões exteriores e interiores bem definidas? A fig. 6# uma vista esquemática em corte transversal de um molde típico segundo a presente invenção utilizado para"formar um corpo compósito com matriz de metal com a forma bem definida? A fig. 7, uma fotografia correspondeja te ks amostras feitas de acordo com o Exemplo 1? A fig. 8, uma fotografia correspondente ás amostras feitas de acordo com o Exemplo 2? A fig. 9a, uma fotografia correspondente k amostra feita de acordo com o Exemplo 3; A fig, 9b, uma fotografia correspondente k amostra feita de acordo com o Exemplo 4? A fig. 10a, uma vista esquemática em corte transversal de um conjunto experimental típico de acordo com o processo segundo a presente invenção utili- 28 - zado para fazer corpos compósitos com matriz de metal com forma bem definida; A fig. 10b, uma fotografia correspon dente à. amostra feita de acordo com o Exemplo 5; A fig, 11a, uma fotografia correspon dente k amostra não acabada feita de acordo com o Exemplo 6; A fig, 11b, uma fotografia correspon dente a amostra acabada feita de acordo com o Exemplo 6; A fig. 12t uma fotografia correspondente k amostra feita de acordo com o Exemplo 7; A fig. 13, uma fotografia correspondente k amostra feita de acordo com o Exemplo 8; A fig, 14, uma vista esquemática em corte transversal de um conjunto experimental com um molde dividido, de acordo com o processo segundo a presente invenção utilizado para fazer corpos compósitos com matriz de metal com forma bem definida; A fig. 15, uma fotografia correspondente k amostra feita de acoÈdo com o Exemplo 10; A fig, 16a, uma vista esquemática em corte transversal de um padrão usado no Exemplo 11; A fig. 16b, uma fotografia correspondente k amostra feita de acordo com o Exemplo 11? e A fig. 17, uma fotografia correspondente k amostra feita de acordo com o Exemplo 12.

Descrição pormenorizada da invenção e de formas de realização

Com referência a fig. 1, está ilustra. 29 do um conjunto típico (10) para a formação de um compósito com matriz de metal por uma técnica de vácuo autogera-do segundo a presente invenção, Especificamente, colocou--se um material de enchimento ou pré-molde (11), que pode ser de qualquer material apropriado, como se descreve com mais pormenor mais adiante, num recipiente impermeável (12) que é susceptivel de alojar um metal da matriz fundido (13) e uma atmosfera reactiva. Por exemplo, o material de enchimento Cll) pode ser posto em contacto com uma atmosfera reactiva (por exemplo, a atmosfera que exijs te no interior dos poros do material de enchimento ou do pré-molde) durante um tempo suficiente para permitir que a atmosfera reactiva atravesse os poros do material de enchimento Cll) no recipiente impermeável (12), parcialmente ou de maneira substancialmente completa. O metal da matriz (13), na forma fundida ou na forma de um lingote sólido, é depois colocado em contacto com o material de enchimento (.11) . Como se descreve com mais pormenor mais adiante numa forma de realização preferida, pode pro porcionar-se uma vedação extrínseca ou um meio de vedação extrínseco (14), por exemplo na superfície do metal da matriz (13), para isolar a atmosfera reactiva da atmosfera ambiente (17). Os meios de vedação, quer sejam extrínsecos, quer intrínsecos, podem ou não funcionar como meios de vedação k temperatura ambiente, mas devem funcionar como meios de vedação nas condições do processo (por exem pio k temperatura do ponto de fusão do metal da matriz ou a uma temperatura superior). Coloca-se depois o conjunto (10) num forno, que está k temperatura ambiente ou foi pré-aquecido até cerca da temperatura do processo.

Nas condições do processo, o forno funciona a uma temperatura superior ao ponto de fusão do metal da matriz, para permitir a infiltração de metal da matriz fundido no interior do material de enchimento ou do pré-molde pela formação de um vácuo autogerado.

Com referência á fig. 2, nela está representado um fluxograma simplificado das fases do pro cesso para a realização do processo segundo a presente invenção. Na fase Cl), pode fabricar-se ou obter-se de outro modo um recipiente impermeável apropriado, que possui as propriedades apropriadas, descritas com mais pormenor mais adiante. Por exemplo, um simples cilindro de aço Cpor exemplo de aço inoxidável) com a partè superior aberta é apropriado para ser usado como molde. 0 recipien te de aço pode então optativamente ser forrado com GRa— FOIL^, uma fita de grafite CGRaEOIL é uma marca registada da tTnion Carbide) para facilitar a remoção do corpo compósito da matriz de metal que se pretende formar no recipiente. Como mais adiante se descreve com mais pormenor, podem também usar-se para facilitar o. desprendimento do corpo compósito de matriz de metal do recipiente ou molde outros materiais, tais como B203 pulverizado no interior do recipiente, ou estanho que é adicionado ao metal da matriz. 0 recipiente pode depois ser carregado com uma quantidade desejada de um material de enchimento ou com um pré-molde que, optativamente, pode ser pelo menos parcialmente coberto com uma outra camada de fita (R)

GaRFOII)-'. Essa camada de fita de grafite facilita a sepa-

ração do corpo compósito com matriz de metal de qualquer carcassa de metal da matriz que fique depois da infiltsa__ ção do material de enchimento.

Pode depois vasar-se no interior do recipiente uma certa quantidade de metal da matriz fundido, por exemplo alumínio, bronze, cobre, ferro fundido, magnésio, etc. O recipiente pode estar k temperatura ambiente ou pode ter sido pré-aquecido a qualquer temperatura apropriada. Além disso, o metal da matriz pode inicialmente ser proporcionado sob a forma de lingotes sóli dos de metal da matriz e depois aquecido para fundir os lingotes. Pode depois formar-se um meio de vedação apropriado (descrito mais adiante com mais pormenor), escolhido do grupo formado por um meio de vedação extrínseco e um meio de vedação intrínseco. Por exemplo, se se desejar formar uma vedação extrínseca, pode aplicar-se um meio de vedação extrínseco, tal como uma frita de vidro Cpor exemplo na superfície da massa de metal da matriz fundido no recipiente, a frita então funde, cobrin do tipicamente a massa de líquido mas, como mais adiante se descreve com mais pormenor, não é necessária uma cobertura completa. Depois de se pôr em contacto o metal da matriz fundido com um material de enchimento ou um pré-molde e de vedar o metal da matriz e/ou o material de enchimento da atmosfera ambiente por um meio de vedação extrínseco, se necessário, coloca-se o recipiente num forno apropriado, que pode ser pré-aquecido até a temperatura do processo, durante um intervalo de tempo apropriado para permitir que se verifique a infiltração. A tem- 32 peratura de processamento do forno pode ser diferentes para metais da matriz diferentes (por exemplo, cerca de 950°C para algumas ligas de alumínio e cerca de 1100°C para algumas ligas de bronze são temperaturas desejáveis). A temperatura de processamento apropriada variará confor me o ponto de fusão e outras características do metal da matriz, bem como de características de componentes no sistema da reacção e os meios de vedação. Depois de um certo tempo á temperatura do forno, cria-se um vácuo (.descrito mais adiante com mais pormenor) no interior do material de enchimento ou do pré-molde, permitindo assim que metal da matrizfundido se infiltre no material de enchimento ou no pré-molde. 0 recipiente pode depois ser removido do forno e arrefecido, por exemplo, colocando-o numa placa de arrefecimento, para solidificar direccional mente o metal da matriz. O compósito com matriz de metal pode depois ser retirado, de qualquer maneira conveniente, do recipiente e separado da carcassa de metal da matriz, se ela existir.

Compreender-se-á que as descrições anteriores das fig. 1 e 2 são simplesmente para esclarecer características salientes da presente invenção. Outros pormenores das fases do processo e das características dos materiais que podem ser usados no processo são apresentados mais adiante.

Sem pretender ficar limitado por qual quer teoria ou explicação particulares, crê-se que, quan do um metal da matriz apropriado, tipicamente no estado fundido, contacta com um material de enchimento ou um 33 pré-molde apropriados na presença de uma atmosfera reac-tiva apropriada num recipiente impermeável, pode verificar-se uma reacção entre a atmosfera reactiva e o metal da matriz fundido e/ou o material de enchimento ou o pré--molde e/ou o recipiente impermeável donde resulta um produto da reacção (por exemplo um sólido, um liquido ou um vapor) que ocupa um volume menor do que o volume inicial ocupado pelos componentes que reagiram. Quando a atmosfera reactiva estiver isolada da atmosfera ambiente, pode criar-se um vácuo no material de enchimento ou no pré-molde permeáveis, que arrasta metal da matriz fundido para o interior dos espaços vazios do material de enchimento. Adicionalmente, a criação de um vácuo pode intensificar o molhamento. A reacção continuada entre a atmosfera reactiva e o metal da matriz fundido e/ou o material de enchimento ou o pré-molde e/ou o recipiente impermeável pode ter como consequência a infiltração do metal da matriz no material de enchimento ou no pré-molde, enquanto se gera um vácuo adicional. A reacção pode continuar durante o tempo suficiente para permitir que o metal da matriz fundido se infiltre, parcialmente ou de maneira substancialmente completa, na massa do material de enchimento ou do pré-molde. 0 material de enchimento ou o pré-molde devem ser suficientemente permeáveis para permitir que a atmosfera reactiva atravesse, pelo menos, parcialmente, a massa do material de enchimento ou do pré-molde.

Este pedido de patente discute vários metais da matriz que em algum instante, durante aformação 34 / de um compósito com matriz de metal, estão em contacto com uma atmosfera reactiva. Assim, serão feitas várias referências a combinações ou sistemas particulares de .me tal da matriz/atmosfera reactiva. Especificamente, veri-ficou-se o comportamento de formação de um vácuo autoge— rado no sistema alumínio/ar, no sistema alumínio/oxigénio, no sistema alumínio/azoto, no sistema bronae/ar, no sistema bronze/azoto, no sistema cobre/ar, no sistema cobre/ /azoto e no sistema ferro fmndido/ar. Contudo, compreender-se-á que podem comportar-se da mesma maneira outros sistemas de metal/atraosfera reactiva diferentes dos especificados no presente pedido de patente.

Para levar à prática a técnica do vácuo autogerado segundo a presente invenção, é necessário que a atmosfera reactiva esteja fisicamente isolada da atmosfera ambiente de modo tal que a pressão reduzida da atmosfera reactiva que existe durante a infiltração não seja afectada de maneira adversa significativamente por quaisquer gases transportados da atmosfera ambiente. Um recipiente impermeável que pode ser utilizado no processo segundo a presente invenção pode ser um recipiente de quaisquer dimensões, de qualquer forma e/ou de qualquer composição que pode ou não ser não reactivo com o metal da matriz e/ou com a atmosfera reactiva e que seja impermeável à. atmosfera ambiente nas condições do processo. Especificamente, o recipiente impermeável pode compreender qualquer material (por exemplo cerâmica, metal, vidro, polímero, etc.) que possa sobreviver ks condições do processo de modo que mantenha as suas dimensões e a 35 sua forma e que impeça ou iniba suficientemente o transporte da atmosfera ambiente através do recipiente. Utili-zando-se um recipiente suficientemente impermeável para transportar a atmosfera através do recipiente, é possivel formar um vácuo autogerado no interior do recipiente . Além disso, conforme o sistema de reacção particular usa do, pode utilizar-se um recipiente impermeável que seja pelo menos parcialmente reactivo com a atmosfera reacti-va e/ou com o metal da matriz e/ou com o material de enchimento, para criar ou ajudar a criar um vácuo auto-gera do no interior do recipiente.'

As características de um recipiente impermeável apropriado são a ausência de poros, rachas ou óxidos redutíveis, qualquer destas coisas podendo interferir de maneira adversa com o desenvolvimento ou a manutenção de um vácuo autogerado. Assim, compreender-ee--á que pode utilizar-se uma ampla variedade de materiais para formar os recipientes impermeáveis. Por exemplo, podem usar-se alumina moldada ou vazada ou carboneto de silicio, bem como metais com solubilidade limitada ou baixa no metal da matriz, por exemplo aço inoxidável, para metais da matriz de alumínio, cobre e bronze.

Além disso, materiais, de outro modo não apropriados, tais como materiais porosos (por exemplo corpos cerâmicos) podem impermeabilizar-se por formação de um revestimento apropriado pelo menos numa porção dos mesmos. Tais revestimentos impermeáveis podem ser um qualquer de uma grande variedade de vidrados e geles apro priados para se ligarem a tais materiais porosos e vedá- -36-/ -los. Além disso# um revestimento impermeável apropriado pode ser líquido às temperaturas do processo# caso em que o material de revestimento deve ser suficientemente estável para se manter impermeável sob o vácuo autogera-do# por exemplo aderindo de maneira viscosa ao recipiente ou ao pré-molde. Os materiais de revestimento apropriei dos incluem materiais vítreos (por exemplo B2°3^' cloretos# carbonatos# etc.# desde que as dimensões dos poros do material de enchimento ou do pré-molde sejam suficientemente pequenas para formar um revestimento impermeável. 0 metal da matriz usado no processo segundo a presente invenção pode ser qualquer metal da matriz que# quando fundido nas condições do processo# ee infiltra no material de enchimento ou do pré-molde pela criação de um vácuo no interior do material de enchimento. Por exemplo# o metal da matriz pode ser qualquer metal# ou constituinte no interior do metal# que reaja com a atmosfera reactiva nas condições do processo# parcialmente ou de maneira substancialmente completa# fazendo desse modo com que o metal da matriz fundido se infiltre no material de enchimento ou no pré-molde# devido# pelo menos em parte, k criação de um vácuo no seu. interior.

Além disso# conforme o sistema usado# o metal da matriz pode ser parcialmente ou de maneira substancialmente completa não reactivo com a atmosfera reactiva e criar-se um vácuo devido a uma reacção da atmosfera reactiva com# optativamente# um ou mais outros componentes do sistema de reacção# permitindo desse modo que o metal da matriz se infiltre no material de enchimento. 37 -

ι

Numa forma de realização preferida* o metal da matriz pode formar uma liga cóm um intensifi-cador para facilitar a capacidade de molhamento do metal da matriz, facilitando assim, por exemplo, a formação de uma ligação entre o metal da matriz e o material de enchi mento, reduzindo a porosidade no compósito de matriz de metal formado, reduzindo o tempo necessário para completar a infiltração, etc. Além disso, um material que compreende um intensificador do molhamento pode também actuar como um facilitador da vedação, como se descreve mais adiante, para ajudar o isolamento da atmosfera reactiva da atmosfera ambiente. Mais ainda, numa outra forma de realização preferida, o intensificador do molhamento pode ser incorporado directamente no material de enchimento em vez de formar liga com o metal da matriz.

Assim, o molhamento do material de enchimento pelo metal da matriz pode melhorar as proprijí dades Cpor exemplo a resistência á tracção, a resistência à erosão, etc.J do corpo compósito resultante. Além disso, o molhamento do material de enchimento pelo metal da matriz fundido pode permitir uma dispersão uniforme do material de enchimento por todo o compósito tom matriz de metal formado e melhorar a ligação do material de enchimento ao metal da matriz, ús intensificadores do molhamento utilizáveis para um metal da matriz de alumínio incluem o magnésio, o bismuto, o chumbo, o estanho, etc. e para o bronze e o cobre inclui o selénio, o telúrio, o enxofre, etc. Além disso, como atrás se discutiu, pode adicionar-se pelo menos um intensificador de molhamento 38 / ff ao metal da matriz e/ou ao material de enchimento para comunicar as propriedades desejadas ao corpo compósito com matriz de metal resultante.

Além disso, é possível utilizar um reservatório de metal da matriz como fonte para assegurar a infiltração completa de metal da matriz no material de enchimento e/ou para fornecer um segundo metal com uma composição diferente da primeira fonte de metal da matriz. Especificamente, em alguns casos pode ser desejável utilizar um metal da matriz no reservatório com uma composição diferente da primeira fonte de metal da matriz. Por exemplo, se se usar uma liga de alumínio como primeira fonte de metal da matriz, então pode usar-se como metal do reservatório substancialmente qualquer outro metal ou liga metálica que esteja fundida a temperatura do processo. Os metais fundidos são frequentemente miscíveis uns com os outros, o que teria como consequência que o metal do reservatório se misturaria com a primeira fonte de metal da matriz, desde que se permitisse um tempo apropriado para que se verificasse a mistura. Assim, utilizari do um metal num reservatório de composição diferente do da primeira fonte de metal da matriz, ê possível pré-de-terminar as propriedades do metal da matriz para satisfazer vários requisitos operacionais e desse modo pré-de terminar as propriedades do corpo com matriz de metal. A temperatura a que o sistema de reac ção fica exposto (por exemplo a temperatura de processamento) pode variar conforme os metais da matriz, os materiais de enchimento ou os pré-moldes, e as atmosferas 39 reactivas usados. Por exemplo, para um metal da matriz de alumínio, o presente processo do vácuo autogerado geralmente prossegue a uma temperatura de pelo menos cerca de 7oo°C. e, de preferência, de cerca de 850°C ou mais. Não são necessárias temperaturas superiores a 1000°Ç, em geral, sendo particularmente utilizáveis temperaturas na gama dos 850 a 1000°C. Para um metal da matriz de bronze ou de cobre podem utilizar-se temperaturas de cerca de 1050 a cerca de 1125°C e para o ferro fundido, temperaturas de cerca de 1 250 a 1 400°C. Em geral, podem usar--se temperaturas superiores ao ponto de fusão, mas inferiores ao ponto de volatilização do metal da matriz usado. É possível pré-determinar a composição e/ou a microestrutura da matriz de metal durante a formação do compósito para conferir caraeteríticas desejadas ao produto resultante. Por exemplo, para um sistema dado, podem escolher-se as condições do processo para controlar a formação de, por exemplo, compostos interme— tálicos, óxidos, nitretos, etc. Além disso, adicionalmente a pré-determinação da composição do corpo compósito, outras caracteristicas físicas, por exemplo a porosidade, podem ser modificadas controlando a velocidade de arrefecimento do corpo compósito com matriz de metal. Em alguns casos, pode ser desejável que o compósito com matriz de metal seja solidificado direccionalmente, colocando, por exemplo, o recipiente que contém o compósito com matriz de metal formado sobre uma placa de arrefecimento e/ou colocando materiais isolantes selectivamente em torno do - 40

recipiente. Além disso, podem controlar-se outras proprie^ dades Cpor exemplo a resistência à tracçio) do compósito com matriz de metal formado utilizando um tratamento térmico (por exemplo, um tratamento térmico normalizado que corresponde substancialmente a um tratamento térmico para apenas o metal da matriz, ou um tratamento parcial ou significativamente modificado).

Nas condições utilizadas no processo segundo a presente invenção, massa de material de enchimento ou do pré-molde deve ser suficientemente permeável para permitir que a atmosfera reactiva penetre ou atravesse os poros do material de enchimento ou do pré-molde em algum instante durante o processo, antes do isolamento da atmosfera ambiente da atmosfera reactiva. Nos exemplos dados mais adiante, que utilizam a técnica do vácuo autogerado, uma quantidade suficiente de atmosfera reactiva estava contida no interior de partículas pouco compactadas com dimensões das partículas de cerca de 54 a cerca de 200 grit. Proporcionando-se um tal material de enchimento, a atmosfera reactiva pode, parcialmente ou de maneira substancialmente completa# reagir após contacto com o metal da matriz fundido e/ou com o material de enchimento e/ou com o recipiente impermeável, resultando dai a criação de um vácuo que arrasta metal da matriz fundido para o interior do material de enchimento. Além disso, a distribuição da atmosfera reactiva no interior do material de enchimento não tem de ser substancialmente uniforme, embora uma distribuição substancialmente uniforme da atmosfera reactiva possa ajudar a formação de um corpo compósito com matriz de metal desejável. 41 .¥ /

J O processo segundo a presente invenção para a formação de um corpo compósito com matriz de metal é aplicável a uma grande variedade de materiais de enchimento, dependendo a escolha dos materiais largamente de factores tais como o metal da matriz, as condições do processamento, a reactividade do metal da matriz fundido com a atmosfera reactiva, a reactividade do metal da matriz fundido com o recipiente impermeável e as propriedades previstas para o produto compósito final. Por exemplo, quando o metal da matriz compreender aluminio, os materiais de enchimento apropriados incluem: a) óxidos (por exemplo alumina); b) carbonetos (por exemplo carboneto de silício); c> nitretos (por exemplo nitreto de titânio) e d) boretos (por exemplo diboreto de titânio). Se houver tendência para o material de enchimento reagir de maneira adversa com o metal da matriz fundido, tal reacção pode ser compensada minimizando o tempo de infiltração e a temperatura ou. proporcionando um revestimento não reactivo no material de enchimento* O material de enchimento pode compreender um substrato, tal como carbono ou outro material não cerâmico, que leva um revestimeja to cerâmico para proteger o substrato de ataque ou degra dação. Os revestimentos cerâmicos apropriados incluem óxi dos, carbonetos, nitretos e boretos. As cerâmicas preferidas para ser usadas no processo da presente invenção incluem a alumina e o carboneto de silício sob a forma de partículas, plaquetas, filamentos emaranhados e fibras. As fibras podem ser descontínuas (na forma cortadal ou sob a forma de filamentos contínuos, tais como estopas de multifilamentos. Além disso, a composição e/ou a forma do material de enchimento ou do pré-molde podem ser homogéneos ou heterogéneos.

As dimensões e a forma do material de enchimento podem ser quaisquer que sejam necessárias para obter as propriedades desejadas do compósito. Assim, o material pode ter a forma de partículas, de filamentos emaranhados, plaquetas ou fibras, visto que a infiltração não é limitada pela forma do material de enchimento.

Podem também ser usadas outras formas, tais como esferas, pérolas, túbulos, peletes, tecido refractário de fibras e outras análogas. Além disso, as dimensões do material não limitam a infiltração, embora possam ser necessários uma temperatura mais elevada ou um tempo mais longo para obter a infiltração completa de uma massa de partículas menores que de partículas maiores. Preferem-se, para a maioria das aplicações técnicas, dimensões médias das partículas que vão desde menos de 24 grit a cerca de 500 grit. Além disso, controlando as dimensões Cpor exemplo o diâmetro das partículas, etc.) da massa permeável do material de enchimento ou do pré-molde, podem pré-de-terminar-se as propriedades físicas e/ou mecânicas do com pósito com matriz de metal formado para satisfazer um número ilimitado de aplicações industriais. Mais ainda, incorporando um material de enchimento que compreende partículas de material de enchimento Com dimensões diferentes, pode obter-se uma compactação maior do material de enchimento para obter um corpo compósito com propriedades pré— -determinadas. Por outro lado, é possível obter menores 43 cargas de partículas, se se desejar, agitando o material de enchimento (por exemplo abanando o recipiente) durante a infiltração e/ou misturando metal da matriz em pó com o material de enchimento, antes da infiltração. A atmosfera reactiva utilizada no processo segundo a presente invenção pode ser qualquer atmosfera que reaja, pelo menos parcialmente, ou de maneira substancialmente completa, cora o metal da matriz fundido e/ou com o material de enchimento e/ou com o recipien te impermeável, para formar um produto da reacção que ocupa um volume menor do que o volume ocupado pela atmosfera e/ou os componentes da reacção antes da reacção. Especifi— camente, a atmosfera reactiva, em contacto com o metal da matriz fundido e/ou o material de enchimento e/ou o recipiente impermeável, pode reagir com um ou mais componentes do sistema de reacção· para formar um produto da reacção sólido, líquido ou em fase de vapor, que ocupa um volume menor do que o dos componentes individuais combinados, criando assim um vazio ou vácuo que ajuda a arrastar metal da matriz fundido para o interior do material de enchimento ou do pré-molde. A reacção entre a atmosfera reactiva e o metal da matriz e/ou o material de enchimento e/ou o recipiente impermeável, pode continuar durante um tempo suficiente para que o metal da matriz se infiltre, pelo menos parcialmente ou de maneira substancialmente completa, no material de enchimento. Por exemplo, quan do se usar ar como atmosfera reactiva, uma reacção entre o metal da matriz (por exemplo alumínio) e o ar pode ter. como consequência a formação de produtos da reacção (por 44 exemplo alumina e/ou nitreto âe alumínio, etc.). Nas condições do processo, o ou os produtos da reacção tendem a ocupar um volume menor do que o volume total ocupado pelo alumínio fundido que reage com o ar. Gomo consequência da reacção, gera-se um váicuo, fazendo-se assim com que o metal da matriz fundido se infiltre no material de enchimen to ou no pré-molde. Conforme o sistema utilizado, o material de enchimento e/ou o recipiente impermeável podem reagir com a atmosfera reactiva de uma maneira semelhante para gerar um vácuo, auxiliando assim a infiltração do metal da matriz fundido no interior do material de enchimento. A reacção que produz o vácuo autogerado pode continuar durante um tempo suficiente para conduzir k formação de um corpo compósito com matriz de metal.

Além disso, verificou-se que pode proporcionar-se uma vedação ou um meio de vedação para ajudar a impedir ou limitar o fluxo de gases a partir da atmosfera ambiente para o interior do material de enchimento ou do pré-molde (por exemplo, impedir o fluxo da atmosfera ambiente para a atmosfera reactiva). Fazendo no-vamente referência k fig. 1, a atmosfera reactiva no interior do recipiente impermeável (12) e do material de enchimento (11) deve ser suficientemente isolada da atmosfera ambiente (17) de modo que enquanto continua a reacção entre a atmosfera reactiva e o metal da matriz fundido (13) e/ou o material de enchimento ou o pré-molde (11) e/ou o recipiente impermeável (12), se estabeleça uma diferença de pressões, que é mantida, entre as atmosferas reactiva e ambiente, até se ter conseguido a infiltração 45 desejada. Compreender-se-á que o isolamento entre as atmosferas reactiva e ambiente não necessita de ser perfeito bastando antes ser "suficiente"# de modo a estar presente uma diferença liquida de pressões (por exemplo# pode haver um fluxo de fase de vapor da atmosfera ambiente para a atmosfera reactiva desde que o caudal seja menor do que o necessário imediatamente para reencher a atmosfera rea£ tiva) . Como atrás se descreveu# uma parte do isolamento necessário da atmosfera ambiente da atmosfera reactiva é proporcionada pela impermeabilidade do recipiente Cl2). Como a maior parte dos metais da matriz são também suficientemente impermeáveis á atmosfera ambiente# a massa de metal da matriz fundido (13) proporciona uma outra parte do isolamento necessário. £ no entanto importante notar que a interface entre o recipiente impermeável Cl2) e o metal da matriz pode proporcionar um trajecto de fugas entre as atmoferas ambiente e reactiva. Por conseguinte, deve proporcionar-se uma vedação que iniba ou evite suficientemente essas fugas.

As vedações ou meios de vedação apro priados podem ser classificados como mecânicos# físicos ou químicos# podendo cada um deles ser classificado em extrínseco e intrínseco. Por “extrínseco'' entende-se que a acção de vedação surge independentemente do metal da matriz fundido# ou adicionalmente a qualquer acção de vedação proporcionada pelo metal da matriz fundido (por exem pio# a partir de um material adicionado aos outros elementos do sistema da reacção); por "extrínseco" significa-se que a acção de vedação resulta exclusivamente de uma ou mais características do metal da matriz (por exemplo, da capacidade de o metal da matriz molhar o recipiente impermeável) . Uma vedação mecânica intrínseca pode ser formada proporcionando simplesmente uma massa líquida suficientemente profunda de metal da matriz fundido ou submejr gindo o material de enchimento ou o pré-molde, como nas patentes de Reding e de Reding et al atrás mencionadas, e nas patentes com elas relacionadas.

Contudo, verificou-se que as vedações mecânicas intrínsecas, como se definem, por exemplo, por Reding Jr., são ineficientes numa grande variedade de apli cações, podendo requerer quantidades excessivamente grandes de metal da matriz fundido. Segundo a presente invenção, verificou-se que as vedações extrínsecas e as classes física e mecânica de vedações intrínsecas ultrapassam esses inconvenientes de uma vedação mecânica intrínseca. Numa forma de realização preferida de uma vedação extrínseca, pode aplicar-se um meio de vedação externamente na superfície do metal da matriz sob a forma, de um material sólido ou líquido que, nas condiçSes do processo, pode ser substancialmente não reactivo com o metal da matriz. Verificou-se que uma tal vedação extrínseca impede, ou pelo menos inibe suficientemente, o transporte dos constituintes em fase de vapor da atmosfera ambiente para a atmosfera reactiva. Os materiais apropriados para ser usados como meios de vedação físicos extrínsecos podem ser sólidos ou líquidos, incluindo vidros (por exemplo vidros de boro e silício, B2°3/ óxidos fundidos, etc.) ou qualquer ou quaisquer outros materiais que inibem suficientemente o transporte da atmosfera ambiente para a atmosfera reactiva nas condições do processo.

Uma vedação mecânica extrínseca pode ser formada alisando ou polindo previamente, ou modelando de outro modo, a superfície interior do recipiente impermeável em contacto com a masaa líquida de metal da matriz, de modo que seja suficientemente inibido o transporte de gases entre a atmosfera ambiente e a atmosfera reactiva. Vidrados e revestimentos, tais como de B2°3' que podem ser aplicados ao recipiente para o tornar impei: meável, podem também proporcionar uma vedação apropriada.

Uma vedação química extrínseca poderia ser proporcionada colocando um material na superfície de um metal da matriz fundido que seja reactivo com, por exemplo, o recipiente impermeável. 0 produto da reacção pode compreender um composto intermetálico, um óxido, um carboneto, etc.

Numa forma de realização preferida de uma vedação física intrínseca, o metal da matriz pode reagir com a atmosfera ambiente para formar uma vedação ou meios de vedação com uma composição diferente da composição do metal da matriz. Por exemplo, por reacção do metal da matriz com a atmosfera ambiente pode formar-se um produto da reacção (por exemplo MgO e/ou espinela de aluminato de magnésio, no caso de uma liga de Al-Mg reagir com ar, ou óxido de cobre, no caso de uma liga de bronze reagir com ar), o qual pode vedar a atmosfera rea£ tiva da atmosfera ambiente.

Numa outra forma de realização de - 48 - uma vedação fisica intrínseca/ pode adicionar-se um faci litador da vedação ao metal da matriz para facilitar a formação de uma vedação por reacção entre o metal da matriz e a atmosfera ambiente (por exemplo# pela adição à.e magnésio, bismuto, chumbo, etc., para metais da matriz de aluminio, ou a adição de selénio, telúrio, enxofre, etc., para metais da matriz de cobre ou de bronzel. Formando um meio de vedação químico intrínseco, o metal da matriz pode reagir com o recipiente impermeável (por exemplo por dissolução parcial do recipiente ou do seu revestimento (.intrínseco) ou formando um produto da reac ção ou compostos intermetálicos, etc., que possam vedar o material de enchimento da atmosfera ambiente.

Além disso, compreender-se-á que a vedação deve ser susceptivel de compensar variações volu métricas (isto é, de expansão ou de contracção) ou outras variações no sistema da reacção, sem permitir que a atmo_s fera ambiente flua para o interior do material de enchimento (por exemplo, fluxo para o interior da atmosfera reactiva). · Especificamente, a medida que o metal da matriz se infiltra na massa permeável do material de enchimento ou do prê-molde, a profundidade do metal da matriz no recipiente pode tender a diminuir. Os meios de vedação apropriados para um tal sistema devem ser suficientemente flexíveis para impedir o transporte da atmosfera ambiente para o material de enchimento k medida que diminui o nível do metal da matriz fundido no recipiente.

Pode também utilizar-ee um meio ãe barreira em combinação com a presente invenção. Especificamente, um meio de barreira que pode ser usado no pro- - 49 - jr cesso segundo a presente invenção pode ser qualquer meio apropriado que interfira# iniba# impeça ou interrompa a migração# o movimento ou similar# de metal da matriz fun dido para além do limite de superfície definido do material de enchimento. Um meio de barreira apropriado pode ser qualquer material# composto, elemento# composição ou similar# que# nas condições do processo da presente invenção# mantenha alguma integridade# não seja volátil e seja susceptível de inibir# interromper# interferir com# evitar ou similar# localmente# a infiltração continuada ou qualquer outro tipo de movimento para além do limite de superfície definido do material de enchimento. Os meios de barreira podem ser usados durante a infiltra ção por vácuo autogerado ou em qualquer recipiente impermeável utilizado em ligação com a técnica do vácuo autogerado para formar compósitos com matriz de metal# como mais adiante se descreve com mais pormenor.

Os meios de barreira apropriados incluem materiais que são molháveis ou não molháveis pelo metal da matriz fundido em migração# nas condições do processo utilizadas# desde que o molhamento dos meios de barreira não prossiga substancialmente para além da superfície do material de barreira (isto é# um molhamento de superfície). Uma barreira deste tipo mostra uma pequena ou nula afinidade para a liga de matriz fundida# e o movimento para além do limite de superfície definido do material de enchimento ou pré-molde é evitado ou inibido pelos meios de barreira. A b^reira reduz qualquer maquinagem ou rectificação que possam ser necessárias no produto compósito com matriz de metal. 50 / -/ -i..

Meios de barreira particularmente utilizáveis para metais de matriz de alumínio são os que contêm carbono, em especial na sua forma alotrópica cri£ talina conhecida por grafite. A grafite é substancialmen te não molhável pela liga de alumínio fundida nas condições do processo descritas. Os materiais de grafite particularmente preferidos incluem os produtos de folha de grafite PERMA-FOllí^ e GRAFOIL®, que apresentam caracte-rlsticas que impedem a migração da liga de alumínio fundida para além do limite de superfície definido do material de enchimento. As folhas de grafite são também resis tentes ao calor e são substancialmente inertes quimicamen te. A folha de grafite GRAFOIL® e PERMa-FOIL® são flexíveis, compatíveis, conformáveis e elásticas e podem ser feitas numa variedade de formas para se adaptar k maioria das aplicações como barreira. Os meios de barreira de gra. fite podem também ser utilizados como uma pasta fluida ou uma massa ou mesmo como uma película de pintura em torno e sobre o limite do material de enchimento ou o pré-molde. A folha de grafite GRAFOIL® e a PERMA-FOIL® são particularmente preferidas porque têm a forma de uma folha de grafite flexível. Um processo para utilizar esta folha de grafite em forma de papel consiste em embrulhar o material de enchimento ou o pré-molde a infiltrar no interior de uma camada de material de folha de grafite.

Em alternativa, o material de folha de grafite pode ser formado como um molde negativo com uma forma que é a desejada para um corpo com matriz de metal, podendo este molde negativo ser depois cheio com o material de enchi- - 51 mento.

Além disso, outros materiais finamente moídos em partículas, tais como alumina de 500 grit, podem funcionar como uma barreira# em certas situações, desde que a infiltração do material de barreira em parti cuias se verifique com uma velocidade menor do que a velocidade de infiltração do material de enchimento.

Os meios de barreira podem ser aplicados por quaisquer meios apropriados, tais como cobrindo o limite de superfície definido com uma camada do meio de barreira. Uma tal camada de meio de barreira pode ser aplicada por pintura, por imersão, por serigrafia, por evaporação ou aplicada de outro modo sob a forma de um líquido, de uma lama ou de uma pasta, ou por deposição catódica de meios de barreira vaporizáveis, ou simplesmente depositando uma camada de um meio de barreira sóli do em partículas, ou aplicando uma fina folha ou película sólida de meios de barreira sobre o limite de superfície definido. Com os meios de barreira no lugar, a infiltração por vácuo autogerado termina substancialmente quando o metal da matriz que se infiltra atingir o limite de superfície definido e contactar com os meios de barreira. O presente processo de formação de um compósito com matriz de metal por uma técnica de vácuo autogerado em combinação com a utilização de um meio de barreira proporciona vantagens significativas em relação a técnica anterior. Especificamente, utilizando o proce_s so segundo a presente invenção, pode produzir-se um corpo 52 /

J

J compósito com matriz de metal sem a necessidade de um processamento caro e complicado. Num aspecto da presente invenção, um recipiente impermeável, que pode ser um recipiente existente no mercado ou feito de propósito para uma necessidade específica, pode conter um material de enchimento ou um pré-molde com uma forma desejada, uma atmosfera reactiva e um meio de barreira para evitar a infiltração do metal da matriz para além de uma superfície desejada. Pelo contacto da atmosfera reactiva com o metal da matriz, que pode ser vazado no interior do recipiente impermeável e/ou o material de enchimento nas condições do processo, pode criar-se um vácuo auto-gerado, fazendo desse modo com que o metal da matriz fundido se infiltre no interior do material de enchimento. 0 presen te processo evita a necessidade de fases de processamento complexas, por exemplo a maquinagem de moldes com formas complexas, a manutenção de banhos de metal fundido, a remoção de peças moldadas de moldes com formas complexas, etc. Além disso, o deslocamento do material de enchimento pelo metal da matriz fundido é substancialmente minimiza, do proporcionando um recipiente estável que não fica submerso no interior de um banho de metal fundido.

Embora a fig. 1 ilustre um processo simples de formação de um compósito cora matriz de metal com uma forma definida, isto é, a forma do recipiente impermeável, podem obter-se formas mais complexas usando processos de moldaçio e aparelhos segundo a presente invenção.

Como se ilustra na fig. 3, podem cons- 53 / truir-se outros conjuntos experimentais (20) segundo a presente invenção para moldar formas que diferem da forma do recipiente impermeável. A título de exemplo, pode encher-se, com um material de enchimento (ll) a infiltrar, um molde (.21), que tem dimensões interiores conforme as dimensões exteriores desejadas do compósito com matriz de metal. Pode depois colocar-se o molde (21), cheio com o material de enchimento, no interior de um leito (23); que ê substancialmente impermeável à infiltração de metal da matriz fundido. Um tal leito impermeável pode, por exemplo, ser constituído por qualquer barreira de material em partículas apropriado, tal como alumina de grãos de pequenas dimensões. Como se apresenta ainda com mais pormenor adiante e nos Exemplos, podem fazer-se moldes apropriados a partir de metais revestidos ou não revestidos, tais como aço inoxidável, grafite, cerâmica, compósitos de cerâmica, argila, gesso, alumina ou sílica, ou outros materiais refractários que constituem meios de barreira apropriados para inibir a infiltração ou que tenham sido revestidos ou que tenham de outro modo inseridos meios de barreira apropriados entre o molde e o material de enchimento a infiltrar. Os moldes são de preferência produzidos economicamente, podendo ser reutilizáveis ou descartáveis. Além disso, os moldes são de preferência feitos de modo a reproduzir a forma do compósito final desejado. Embora, em certas aplicações, os moldes sejam ligados ao compósito final e retidos como parte do mesmo, na maioria das aplicações os moldes são de preferência facilmente separados e retirados do corpo compósito com matriz de metal formado e não se ligarão nem reagirão com o mesmo.

Depois da colocação do molde cheio com o material de enchimento no leito (23) substancialmente impermeável, pode colocar-se uma folha de grafite (22) ou de qualquer outro material apropriado em cima do molde para facilitar a separação do molde e o compósito final de qualquer metal da matriz restante depois de se completar a infiltração,“mas isso não é necessário. No caso de se ter interposto um material (22). (por exemplo folha de grafite), entre o metal da matriz (13) e o molde (21), pode proporcionar-se um canal ou espaço apropriado (24) para permitir a infiltração efectiva do metal da matriz (131 no interior do material de enchimento (11).

Vaza-se depois metal da matriz fundido (13) sobre o leito substancialmente impermeável (23), o molde (21) e o material de enchimento (11) e forma-se uma vedação extrínseca (14) por cima do metal da matriz fundido (13) ou uma vedação intrínseca (não representada) entre o metal da matriz (13) e o recipiente imperméjl vel (12). Coloca-se depois o conjunto experimental (20) num forno com atmosfera de ar de acordo com o processo segundo a presente invenção. Verifica-se a infiltração do material de enchimento (11) no interior do molde (21) pelo metal da matriz fundido (13) sem infiltração do leito substancialmente impermeável (23) que envolve o molde (21) .

Numa forma de realização alternativa generalizada (30) segundo a presente invenção, como se 55 ilustra na fig. 4, pode usar-se um elemento ou macho (31), que é impermeável ao metal da matriz fundido, para funcio^ nar como uma barreira para definir uma forma de um compó sito com matriz de metal a formar. 0 elemento impermeável (31) pode ser formado de qualquer material que fique substancialmente sem ser infiltrado nas condições do processo. Se o elemento (.31) deve ser removido# ele deve ser feito de um material que facilite a remoção# por exemplo por meios físicos, químicos ou mecânicos. Como se mostra na fig. 4# tais elementos de barreira podem formar apenas um limite definido do componente a formar. Em alternativa# poderia utilizar-se uma pluralidade de tais elementos para definir formas complexas. Os materiais apropriados para os elementos de barreira (31) incluem os materiais aqui discutidos como materiais apropriados para os moldes.

Como se mostra na fig. 4# o meio de barreira modelado (311 é colocado num recipiente impermeável (12) de aço inoxidável ou outro apropriado e α espaço entre o meio (31) e o recipiente é cheio com um material de enchimento Cll) de acordo com os processos atrás discutidos. Vaza-se depois metal da matriz fundido Cl3) sobre o material de enchimento Cll)# encaixando o elemento (31) e forma-se uma vedação (14) extrínseca ou intrínseca. Coloca-se depois todo o conjunto (30) num forno com atmosfera de ar# de acordo com o processo atrás descrito de vácuo autogerado. Pode interpor-se folha de grafite ou outro meio apropriado para facilitar o despren dimento (22)# entre o metal da matriz (13) e o material de enchimento (11)# da maneira atrás referida. 56 - /

Ainda numa outra forma de realização da presente invenção, um conjunto experimental (40), ilus trado na fig. 5, contém a forma interior e a exterior de um componente compósito com matriz de metal que se pretende formar. A título de exemplo, forma-se um molde (21) que tem dimensões interiores adaptadas ks dimensões exteriores desejadas do componente compósito com matriz de metal, e um elemento ou macho (26), que tem dimensões exteriores que se adaptam k dimensão interior desejada do componente compósito com matriz de metal a formar. O macho (26) pode ser ou uma parte do molde de barreira ou pode ser introduzido no molde de barreira depois de o molde ser feito. Se o macho (26) se destina a ser removido, deve de preferênciaser feito de um material que facilite a remoção (por exemplo, pode ser removido por um meio fisico, quimico ou mecânico). Podem usar-se vários desses meios para definir formas interiores complexas. 0 espaço entre o molde (21) e o macho (26) pode ser preen chido com um material de enchimento (11) que deve ser infiltrado e o molde (.21) pode ser colocado no interior de um leito (23) substancialmente impermeável. Um tal leito impermeável pode, por exemplo, ser constituído por qualquer meio de barreira em partículas apropriado, tal como alumina de granulometria fina que não seja infiltra do pelo metal da matriz fundido nas condições do processo. Como se descreve com mais pormenor adiante e nos Exemplos, os moldes e machos apropriados podem ser feitos de metais revestidos pu não revestidos, tais como o aço inoxidável, a grafite, a cerâmica, os compósitos cerâmicos, a argila, o gesso, peças moldadas de alumina ou sílica ou outros materiais refractários que constituem meios de barreira apropriados para inibir a infiltração ou que foram revess tidos ou têm de outro modo meios de barreira interpostos entre o molde e o macho e o material de enchimento a infiltrar. Os moldes e os machos são de preferência produzidos economicamente, podendo ser reutilizáveis ou descartáveis. Além disso* os moldes e os machos são de preferência facilmente formados para reproduzir a forma do compósito com metal de matriz final a formar. Embora em certas aplicações os moldes e os machos sejam ligados a* e retidos como parte integrante do compósito final* na maioria das aplicações os moldes e os machos devem de preferência ser separados facilmente e susceptíveis de ser retirados do componente compósito com matriz de metal formado e não devem ligar-se aos mesmos nem com eles rea gir.

Depois da colocação do molde com o mat£ rial de enchimento no leito* pode-se* não sendo no enta_n to necessário, colocar uma folha de grafite (22) ou outro material apropriado por cima do molde contendo o macho para facilitar a separação do molde e do compósito final do restante do metal da matriz depois de se completar a infiltração. No caso de um material (22) estar interposto entre a liga do metal da matriz (13) e o molde (21) que contém o macho (26), pode proporcionar-se um canal ou espaço apropriado (24) para permitir a infiltração efectiva do metal da matriz no interior do material de enchimento. A liga de metal da matriz fundida (13) é depois vazada sobre o leito# o molde e o material de enchimento# e pode formar-se uma vedação extrínseca ou intrínseca (14) . Coloca-se depois o conjunto experimental num forno de caixa com atmosfera de ar de acordo com o processo da presente invenção. Verifica-se a infiltração do- material de enchimento no interior do molde# sem infiltração do leito que envolve o molde e o material de enchimento depois de um vácuo auto-gerado ter contactado com o molde impermeável.

Podem utilizar-se# segundo a presente invenção# vários procedimentos e aparelhos de moldaçlo específicos. Pode utilizar-se um componente mestre para formar um molde de gesso# de alumina coloidal# de sílica coloidal ou quaisquer outros meios apropriados. O componente mestre pode ser usado directamente para formar um molde final ou pode ser usado para formar um molde inter médio (por exemplo um molde de borracha, de plástico# de cera ou outro qualquer apropriado) para utilizar na formação de um molde final. Ê no entanto importante que o molde e o macho finais sejam química e fisicamente apropriados para resistir ás condições do processo sem serem danificados ou infiltrados# e que eles reproduzam o componente mestre para permitir produzir componentes com a forma final perfeita ou quase perfeita, a partir do molde segundo a presente invenção.

Numa forma de realização da presente invenção# discutida em pormenor nos Exemplos 3 e 4# faz--se um molde negativo de borracha de um componente mestre 59

59 J sendo depois feito um molde positivo de borracha a partir do molde de borracha negativo. Utiliza-se depois o molde de borracha positivo para formar um molde de barreira que é usado como molde final para conter o material de enchimento a infiltrar pelo metal da matriz fundido. P0dem ser necessários revestimentos em alguns moldes para assegurar que a infiltração não progride para o interior do molde# assegurando desse modo que se obtêm bons acabà mentos das superfícies e características de forma precisa. Os revestimentos satisfatórios para utilizar com alguns moldes incluem a sílica coloidal# a alumina coloidal# a vermiculite coloidal# a grafite coloidal# a grafite# uma tinta de alumínio e outros revestimentos. Estes revestimentos podem também promover a separação do molde do componente compósito com matriz de metal final.

J N^ma forma modificada da realização anteriormente descrita# discutida em pormenor no Exemplo 1# em vez de se formar um molde positivo de borracha a partir de um molde negativo de borracha# faz-se um molde positivo de gesso# que é revestido com um material desli gante. A partir do molde positivo de gesso# faz-se um molde negativo de gesso# de alumina coloidal, de sílica coloidal ou de outro ou outros materiais apropriados. O molde positivo de gesso é depois removido do molde negativo de gesso por qualquer meio apropriado. Depois a concha negativa é revestida com um revestimento de borracha apropriado e usado como molde de barreira para conter material de enchimento para infiltração pelo metal da matriz fundido.

Podem também usar-se processos de cera perdida ou de espuma perdida para formar moldes a utilizar com o processo do vácuo auto-gerado, como se discute com mais pormenor nos Exemplos. Especificamente, forma— -se primeiro uma forma final desejada para um corpo compósito com matriz de metal a partir de cera ou de espuma de polistireno, ou de qualquer outro material apropriado capaz de ser removido fisicamente, removido quimicamente e/ou volatilizado por aquecimento. Depois embebe-se essa cera, espuma ou outro material num material de molde dos tipos atrás referidos. Sujeita-se depois o material do molde a um tratamento quimico ou térmico apropriado, conforme for necessário para retirar ou volatilizar o material do molde, resultando dal um espaço vazio no material do molde. Esse espaço vazio pode depois ser preenchido com material de enchimento e infiltrado segundo a presen te invenção.

Embora as fig. 3, 4 e S ilustrem a utilização de um molde único em cada recipiente impermeá vel, podem empilhar-se vários moldes e/ou colocá-los lado-a-lado num recipiente particular para o processamen to.

Adicionalmente, embora a discussão anterior descreva conjuntos experimentais nos quais os moldes são colocados no interior de um recipiente impermeável aos gases separado, é possível dispensar inteiramente um recipiente impermeável aos gases separado. Pode, em vez disso, usar-se um molde impermeável aos gases ou pode tornar-se impermeável aos gases um molde permeável. Os

meios de vedação podem depois ser colocados directamente no molde, de modo que o molde actua como um recipiente impermeável.

Como se ilustra na fig. 6, um molde (51) tem uma (ou mais) superfície (52) e um espaço oco preenchido com material de enchimento (11) . 0 metal da matriz (13) está colocado junto do material de enchimento e vedado com meios de vedação (14), 0 conjunto da fig. 6 é assim um molde independente e um recipiente impermeá vel a partir do qual pode fazer-se um componente com a configuração do espaço oco do molde.

Nos Exemplos que se seguem imediatamen te incluem-se várias demonstrações da presente invenção. No entanto/ estes Exemplos devem ser considerados como sendo ilustrativos e não deve admitir-se que limitem os objectivos da presente invenção, como são definidos nas reivindicações anexas.

Exemplo 1

Este Exemplo demonstra técnicas de moldação com molde negativo de face fechada para formar corpos compósitos com matriz de metal de forma definitiva ou quase definitiva/ com formas complexas, através de uma técnica de vácuo auto-gerado. Especificamente, este Exemplo demonstra a fabricação de pequenas válvulas de esfera a partir de uma peça mestra única/ com um diâmetro exterior de cerca de 32 mm (1,25"), com um espaço oco cilíndrico e com um diâmetro de cerca de 19 mm (0/73"). A fig. 5 mostra um corte transversal esquemático de um conjunto experimental semelhante ao usado para formar os - 62 / corpos compósitos com matriz de metal com forma quase definitiva atrás descritos.

Fez-se um molde negativo de borracha da peça mestra» vazando um composto de borracha de moldação (GI—1000, Plastic Tooling Supply Co., Easton, PA» com cerca de 1 parte» em peso, de activador e cerca de 10 par tes, em peso, de base de borracha) , em torno da peça mestra. Uma vez o molde negativo de borracha suficientemente solidificado, vazaram-se três cópias da peça mestra a partir do molde negativo de borracha, usando uma mistura que compreende, em peso, cerca de 5% de uma cola k base de acetato de polivinilo (cola ELMER'^, Borden Co.» Colurabus, OH),"cerca de 6% de gesso de Paris (Bondex,

Bondex International Inc., Brunswick, OK), cerca de 26% de água e cerca de 63% de A^O^ de 500 grit (38 Alundum, Norton Co., Worcester). Colocaram-se as três cópias da peça mestra contidas no interior dos moldes negativos de borracha num congelador, mantido a cerca de -18°C. Após cerca de 2 horas a cerca de -18°C, separaram-se os moldes negativos de borracha e as cópias da peça mestra. Secaram-se depois as cópias da peça mestra num forno com atmosfera de ar, ajustado para cerca de 46°C. Uma vez suficientemente secas aspergiram-se as cópias com dois revestimentos de tinta de prata (P-1140, distribuído pela Pep Boys, Philadelphia, PA) .

Uma vez formadas e pintadas as cópias da peça mestra como atrás se descreveu, formaram-se três moldes de barreira (21) misturando cerca de 1 parte, em peso, de sílica coloidal (NIACOL® 2040 NH4, Nyacol Products,

Ashland, MA) , cerca de 2 partes de A^O^ de 500 grit (.38 Axundum Norton Co., Worcester, MA>, cerca de 1 parte de AI2O3 de 220 grit ( 38 Alundum Norton Co., Worcester,MA) e cerca de 0,2 parte de água. Vazou-se esta mistura de barreira, depois de se eliminar a espuma e o ar, sobre as cópias da peça mestra e deixou-se endurecer durante cerca de 2 horas aproximadamente à temperatura ambiente. Após as 2 horas, vazou-se o excesso de água da mistura de barreira e colocaram-se as cópias da peça mestra envol vidas pelos moldes de barreira num congelador e mantive— ram-se a cerca de -18°C, durante cerca de 8 horas* Colocaram-se depois as cópias da peça mestra envolvidas pelos moldes de barreira num forno de caixa com atmosfera de ar aquecido por resistência, a cerca de 1 000°C, durante cerca de 1 hora. Depois de retiradas do forno desintegraram-se as cópias da peça mestra e sopraram-se os pós resultantes das cópias da peça mestra para fora do interior dos moldes de barreira C.21) . Vazou-se no interior dos moldes de barreira uma mistura de revestimento constituída por cerca de 5o%, em peso, de vermicúlite coloidal (Microlite No. 903, W.R. Grace & Co., Lexington, MA), e cerca de 50%, em peso, de água. Deixou-se ficar esta mistura de revestimento nos moldes de barreira cozidos (21) durante cerca de 2 minutos e depois vazou-se para fora, tendo-se fornado durante este tempo um revestimento (25) nos moldes de barreira (21). Depois, colocaram--se os moldes de barreira revestidos (21) num forno, ajustado para cerca de 110°C, durante cerca de duas horas. Após cerca de duas horas de permanência, cozeram-se os 64 moldes de barreira revestidos (21). a cerca de 1 QOQ°C, durante cerca de 1 hora.

Colocaram-se depois os três moldes de barreira revestidos (21) no interior de um recipiente impermeável (12) construído a partir de aço inoxidável tipo 304 de calibre 16 (1,6 mm de espessura), com um diâ metro interior de cerca de 76 mm (3”) e cerca de 83 mm (3,25") de altura. Encheu-se o espaço entre os moldes de barreira revestidos (21) e o recipiente de aço inoxidável Cl2) com um leito (23), que compreende Al203 de 500 grit (38 Alundura da Norton Co.).Encheu-se um dos moldes de barreira com uma mistura de material de enchimento Cll) constituída por cerca de 5Q%, em peso, de Al203 de 54 grit e cerca de 50%, em peso, de Al203 de 90 grit Cambos 38 Alundum, Norton Co.).. Encheu-se um segundo molde de barreira C21) com um material de enchimento (11) que com preende cerca de 50%, em peso, de AJ^O^ e o restante de Zr02(MCA 136o, Norton Co.) e encheu-se o terceiro molde de barreira (21) com uma mistura de material de enchimen to (11) que compreende, em peso, cerca de 98% de Al203 de 220 grit (EI Alundum, Norton Co.) e cerca de 2% de pó de magnésio de -325 mesh (Atlantic Equipment Engineers, Bergenfield, NJ).

Cada um destes moldes de barreira (21) cheios com material de enchimento, foi depois coberto com uma peça de folha de grafite (22) (PERMA-FOIL, da TT America, Portland, Oregon). Fundiu-se um metal da matriz (13) que compreende uma liga comercial de alumínio, designada por 6061 com cerca de 2%, em peso, de adicional de - 65

liga de magnésio# e vazaram-se cerca de 27o g no recipien te de aço inoxidável (12) e sobre os moldes de barreira cheios com o material de enchimento. Em seguida# vazou--se em PÓ sobre o metal da matriz fundido Cl3> e colocou-se o conjunto (4o) num forno de caixa com atmosfera de ar aquecido por resistência a cerca de 900°C. Deixaram-se cerca de quinze minutos para que o pó de B2°3 fundisse substancialmente# se desgasificasse e formasse uma vedação (14} impermeável aos gases. Manteve-se o conjunto C40) a cerca de 900°C durante mais duas horas# após as quais se retirou o conjunto C40) e o seu conteúdo do forno e se colocou numa placa de arrefecimento de cobre# arrefecida por água# para solidificar direccionalmente os compósitos com matriz de metal.

Uma vez à temperatura ambiente# eepa-rou-se por corte o recipiente de aço inoxidável (12) do metal da matriz residual solidificado e dos moldes de barreira revestidos. Observou-se que cada uma das fitas de grafite (22} facilitou a separação da carcaça do metal da matriz de cada uma das válvulas de esfera de compósito com matriz de metal que se formaram. Além disso# obsei: vou-se que o metal da matriz (13) não se tinha infiltrado no leito (23) de de 500 grit. Colocaram-se depois os moldes de barreira revestidos (21) num aparelho de jacto de areia e limparam-se os moldes de barreira revestidos (21) com jacto de areia# revelando três válvulas de esfera com a forma definitiva constituídas por um com pósito com matriz de metal de alumínio. A fig. 7 mostra duas das válvulas de 66 '^•ΛΜβΛϊ^’·' 1 j' /' esfera cora matriz de alumínio (61). Assim, este Exemplo ilustra a utilização de diferentes tipos de materiais, tais como pós muito finos, materiais de grafite e pó fino ligado como materiais de barreira, durante a formação dos compósitos de matriz de alumínio com forma definitiva, pela técnica do vácuo auto-gerado.

Exemplo 2

Este Exemplo demonstra a técnica de mo1dação negativa cora face fechada, para a formaçao de corpos compósitos com a forma' definitiva ou quase definitiva, com uma configuração complexa, através da técnica do vácuo auto-gerado, usando um metal da matriz de bronze.

Os procedimentos experimentais foram substancialmente os mesmos apresentados no Exemplo 1, excepto o metal da matriz e a temperatura do processo. O conjunto experimental (.40) usado no Exemplo 2 foi semelhante ao representado na fig. 5.0 metal da matriz de bronze (13) era constituído por cerca de 6% Si, 0,5% Fe, 0,5% Al, em peso, e o restante de cobre. O recipiente (12) de aço inoxidável tinha um diâmetro interior de cerca de 41 mm (1,63") e uma altura de cerca de 67 mm (2,63"). 0 material de enchimento (11) foi A^Og de 90 grit (EI Alundum, Norton Co.). Manteve-se o conjunto (40) a cerca de 1 100°C durante cerca de 2,25 horas num forno de caixa com atmosfera de ar, aquecido por resistência, antes de ser solidificado direccionalmente numa placa de arrefecimento de cobre, arrefecida por água. λ temperatura ambiente, desmontou-se o conjunto (40) e, como no Exemplo 1, observou-se que a folha de grafite (22) facilitou a separação da carcaça de metal da matriz (.66) da nova válvula de esfera (63) de compósito, como se mostra na fig. 8. Além disso, veri-ficou-se que o metal da matriz (13) não se tinha infiltra do no leito (23) de Al203 de 500 grit. O molde de barreira revestido (21) foi depois colocado num aparelho de limpeza por jacto de areia e separou-se a concha de barreira revestida C21), revelando-se uma válvula de esfera com a forma definitiva constituída por um compósito com matriz de metal de bronze. Especificamente, a fig. 8 mostra uma fotografia da válvula de esfera C63> de compósito com matriz de metal de bronze, restos da folha de grafite (22) e da carcaça de metal da matriz de bronze (66) a ela ligados. Assim, este Exemplo ilustra que diferentes tipos de materiais, tais como leitos muito finos, materiais de grafite e pós finos ligados, podem funcionar como materiais de barreira durante a formação de corpos compósitos com matriz de bronze pela técnica do vácuo auto-gerado.

Exemplos 3-4

Estes Exemplos demonstram as técnicas de moldação positiva com face aberta para a formação de corpos compósitos com metal da matriz com a forma definitiva, com formas complexas, através da técnica do vácuo auto-gerado. Especificamente, os Exemplos 3 e 4 descrevem o uso de um metal da matriz de alumínio e um metal da matriz de bronze, respectivamente, para a fabricação de duas rodas dentadas de compósito de matriz metálica a 68 partir de uma peça mestra que tem um diâmetro exterior de cerca de 38 mm (1,5”) e uma espessura máxima de 10 mm (0,4"). o conjunto experimental usado nos Exemplos 3 e 4 foi semelhante ao da fig. 3.

Formou-se um molde negativo de borrach da peça mestra vazando um composto de borracha de molda-ção (6Γ-1000, Plastic Tooling Co., Easton, PA/ cerca de 1 parte, em peso, de actiyador e cerca de 10 partes, em peso, de base de borracha) em torno da peça mestra. Uma vez que o molde negativo de borracha tenha endurecido suficientemente, separaram-se a peça mestra e o molde negativo de borracha e aspergiu-se o molde negativo de borracha revestido duas vezes com um lubrificante seco á base de fluorocarbonetos (MS-122, Miller-Stephenson Chemical Company, Inc., Danbury, CT). Vazou-se então um molde positivo de borracha a partir do molde negativo de borracha, mais uma vez de borracha de moldação GI-1000, cuja formulação foi indicada atrás. Uma vez suficiente-mente solidificado, o molde positivo de borracha foi retirado do molde negativo de borracha e depois usado para formar dois moldes de barreira (21) para as peças respec tivas, como adiante se descreve.

Os moldes de barreira (21) foram formados misturando cerca de 1 parte em peso, de sílica coloidal (NYAC0LR 2040 NH4, Nyacol Products of Ashland, MA), cerca de 2 partes, em peso, de Al203 de 5oo grit (38 Alundum, Norton Co.), cerca de 1 parte, em peso, de Al203 de 220 grit (38 Alundum, Norton Co.) e cerca de 0,2 partes, em peso, de água. Vazou-se esta mistura, 69

69 J

J depois de retirada a espuma e o ar, sobre o molde positivo de borracha e deixou-se endurecer durante cerca de 2 horas aproximadamente a temperatura ambiente. Após as duas horas, deitou-se fora o excesso de água da mistura endurecida e colocou-se o molde de borracha positivo com o material do molde de barreira num congelador com a temperatura ajustada para cerca de -18°C, durante cerca de 8 horas. Separou-se então o molde de borracha positivo de cada um dos moldes de barreira congelados C21) e colo-cou-se cada um dos moldes de barreira (.21) no interior de um forno de caixa com atmosfera de ar, aquecido por resistência, colocado a cerca de 1 000°C durante cerca de 1 hora. Colocou-se uma mistura que contém cerca de 50% de vermiculite coloidal (Microlite N2 903, W.R. Grace & Co., Lexington, MA) e cerca de 50% de água no interior da cavidade de cada molde de barreira (21). Deixou-se permanecer a mistura de revestimento nos moldes de barrei^ ra cozidos (21) durante cerca de 2 minutos e depois vazou— -se para fora, tendo-se formado durante esse tempo um revestimento (não representado na fig. 3). na cavidade de cada molde de barreira (21). Subsequentemente, colocaram -se os moldes de barreira (21) revestidos num forno a cerca de 110°C durante ceraa de duas horas. Após cerca de duas horas, cozeram-se novamente os moldes de barreira (21) revestidos a cerca de 1 000°C, durante cerca de 1 hora.

Colocou-se depois cada um dos moldes de barreira (21) num recipiente de aço inoxidável separado (12), substancialmente igual ao descrito no exemplo 1. 70 / Μ -

Encheu-se depois ο espaço entre os moldes de barreira (21) e o recipiente de aço inoxidável (12) com um leito (23) constituído por Al203 de 500 grit (38 Alundum, Norton Co.). No Exemplo 3, colocou-se um material de enchimento (11) constituído por Al2Q3 de 500 grit (Alundum, Norton Co.) no molde de barreira (21) revestido e nivelou-se. No Exemplo 4, colocou-se um material de enchimento (11) constituído por Α1>203 de 90 grit (38 Alundum, Norton Co.) no molde de barreira (21) revestido e nivelou -se. Cobriu-se o material de enchimento que preenche o molde (21) usado com o metal da matriz de bronze com um pedaço de folha de grafite (22), (Perma-foil da TT America, Portland, QR)·

No Exemplo 3, vazou-se um metal da matriz de alumínio fundido (13), que compreende, em peso, cerca de 7,5-9,5% si, 3,o-4,o% Cu,4. 2,9% Zn, 0,2-0,3% Mg, ^ 1,3% Fe, 0,5% Mn, ,£ 0,35% Sn e o restante de Al, no recipiente de aço inoxidável (12) até uma profundidade de cerca de 13 mm (0,5") e sobre molde de barreira (21) cheio com material de enchimento. No Exemplo 4, vazou-se um metal da matriz de bronze fundido (13) que compreende, em peso, cerca de 5% si, cerca de 0,5% Fe, cerca de 0,5% Al e o restante de Cu, até uma profundidade de cerca de 13 mm (O,5") no recipiente de aço inoxidável (12) sobre o molde (21) de barreira coberto com a folha de grafite (22) . Depois, vazou-se em pó sobre os metais de matriz fundidos (13) até cobrir de maneira substancialmente completa os mesmos e colocaram-se os conjuntos (20) num forno de caixa com atmosfera de ar, aquecido por resistência, posto a cerca de 900°C, para o Exemplo 3 e a cerca de 1 100°C, para o Exemplo 4. Deixaram-se cerca de 15 minutos para que o pó de B203 se fundisse substancialmente, se desgasifiçasse e formasse uma vedação imper meável aos gases (14). 0 conjunto (20) do Exemplo 3 foi mantido a cerca de 900°C durante cerca de 2 horas e o conjunto (20) do Exemplo 4 foi mantido a cerca de 1 100°C durante cerca de 2 horas, após o que se retiraram os conjuntos (20) respectivos dos fornos e se colocaram nuraa placa de arrefecimento de cobre arrefecida por água, para solidificar direccionalmente o metal da matriz (13),

Uma vez à temperatura ambiente, cada um dos recipientes (12) foi removido dos moldes de barreira (21) respectivos. Observou-se, para o Exemplo 4, que a folha de grafite (22) permitiu a separação da carcaça do metal da matriz do compósito com matriz de metal que foi formado. Além disso, observou-se que, para ambos os Exemplos 3 e 4, se obtiveram corpos compósitos com matriz de metal completamente infiltrados com caracterís ticas de forma quase definitiva excelentes. Especifica-mente, a fig. 9a mostra uma fotografia correspondente á roda dentada com matriz de alumínio (70) no Exemplo 3 e a fig. 9b mostra uma fotografia correspondente à roda dentada com matriz de bronze (71) formada no Exemplo 4.

Exemplo 5

Este Exemplo demonstra a utilização de uma técnica de moldação por cera perdida para formar um corpo compósito com matriz de metal com forma definitiva ou quase, com uma forma complexa, pela técnica do vácuo ff 72 «· auto-gerado. Especificamente, o Exemplo 5 refere-se a fabricação de um êmbolo compósito com metal de alumínio para um motor de combustão interna a partir de uma peça mestra que possui um diâmetro exterior de cerca de 19 mm (0/75") e uma altura máxima de cerca de 19 mm (0/75"). A fig. 10a é um corte transversal esquemático do conjunto experimental usado no Exemplo 5.

Pez-se um molde de borracha negativo vazando um composto de borracha de moldação (GX-1000, Plastic Tooling Co./ Easton# PA/ e 1 parte# em peso# de um activador e cerca de IO partes# em peso# de base de borracha)# em torno da peça mestra. Uma vez suficientemente solidificado# fez-se uma reprodução em positivo da peça mestra vazando cera fundida (cera vermelha extrudi-âa P 9# Casting Supply House New York# NY) no molde de borracha negativo. Uma vez que a cera tenha solidificado, separou-se o molde de borracha da reprodução positiva de cera do êmbolo.

Colocou-se depois a reprodução postiva em cera num recipiente cilíndrico de aço inoxidável (12). Vazou-se uma mistura de barreira# que compreende# em^eso# cerca de 3 partes de cie 500 grit (38 Alundum# Nor ton Co.) e cerca de 1 parte de alumina coloidal (Bluonic A# distribuída pela Wesbond Corporation# Wilmington, DE) no recipiente de aço inoxidável (12) até uma profundidade substancialmente igual à altura da reprodução positiva de cera. Após pelo menos 6 horas# a mistura de barrei, ra endureceu para formar uma casca de barreira (21) . Inverteram-se o recipiente de aç;o inoxidável (12) e o 73 ty ·*/ seu conteúdo e colocaram-se num forno de atmosfera de ar, posto a cerca de 180°C. Decorridas cerca de 3 horas a cerca de 180°C, a reprodução positiva de cera fundiu e proporcionou uma cavidade no molde de barreira (21) , Colocaram-se depois o recipiente de aço inoxidável e o seu conteúdo num forno de caixa com atmosfera de ar aquecido por resistência, posto a cerca de 1 000°C, durante cerca de 1 hora, para queimar qualquer cera restante, desse modo refinando a imaqem em negativo da peça mestra no molde de barreira (21). O espaço vazio ceiado no molde de barreira (21) pela cera volatilizada foi depois preenchido com um material de enchimento (11) que compreende SiC de 22o grit (39 Crystolon, Norton Co.). Fundiu-se depois um metal da matriz de alumínio (13), que compreende, em peso, cerca de 7,5-9,5% Si, 3,0-4,0% Cu, ^ 2,9% Zn, 0,2-0,3%

Mg, 1,3% Fe, ^ 0,5% Mn, ^ 0,35% Sn e o restante de alumínio, e vazou-se no recipiente de aço inoxidável e sobre o molde de barreira (21) cheio com o SiC de 220 grit, até uma profundidade de cerca de 13 mm (0,5"). Utilizou--se em (Fisher Scientific) para cobrir a super fície do metal da matriz de aluminio fundido.

Colocou-se depois o conjunto experimen tal (16o), que compreende o recipiente de aço inoxidável (12) e o seu conteúdo, num forno com atmosfera de ar aquecido por resistência a cerca de 85o°C. Após cerca de 16 horas a cerca de 850°C, tempo durante o qual o &2°3 se tinha fundido, desgasifiçado e formado uma vedação impermeável aos gases (14), retirou-se o conjunto do for- - 74 jt no e arrefeceu-se.

Uma vez que o conjunto (160) tenha arrefecido até k. temperatura ambiente, retirou-se o recipiente de aço inoxidável (12) e removeu-ee, por aplicação de jacto de areia, o molde de barreira (21) , para revelar um êmbolo de compósito com matriz de metal de alumínio com a sua forma quase definitiva. Especifica— mente, a fig. 10b é uma fotografia correspondente ao êmbolo (80) de compósito com matriz de alumínio depois de maquinada a superfície exterior C.82) . A fig. 10b mostra que a cavidade interna C81) do êmbolo foi bem reproduzida.

Exemplo 6

Repetiu-se substancialmente o processo do Exemplo S, excepto que o molde de barreira (21) era constituído por uma mistura de cerca de 2 partes de AI2O3 de 220 grit e cerca de 1 parte de A^O-j de Soo grit Cambos de 38 Alundum, Norton Co., Worcester, MA) e cerca de 1 parte de alumina coloidal tBluonic a, distribuída pela Wesbond Corporation, Wilmington, DE>; o material de enchimento Cll) era constituído por SiC de 90 grit (39 Crystolon da Norton Co.) ; e a peça mestra tinha um diâmetro exterior de cerca de 70 mm (2,75'') e uma altura de cerca de 64 mm (2,5").

0 conjunto experimental (160) foi montado como no Exemplo 5, manteve-se a cerca de 85o°C duran te cerca de 4 horas e solidificou-se depois direccional-mente numa placa de arrefecimento de cobre, arrefecida por água. Como no Exemplo 5, o metal da matriz (13) infijL / -1' 75 trou-se completamente no material de enchimento (11) e recuperou-se um êmbolo de compósito com matriz de alumínio com a forma quase definitiva. Especificamente, a fig. 11a é uma fotografia correspondente ao êmbolo compósito com matriz de alumínio (90) feito de acordo com este Exemplo, na condição de limpo por jacto de areia? e a fig. 11b é uma fotografia correspondente do mesmo êmbolo de compósito com matriz de metal de alumínio (90) com a superfície exterior (.91) maquinada.

Exemplo 7

Este Exemplo demonstra a utilização de um molde de grafite para formar um corpo compósito com matriz de metal usando a técnica do vácuo auto-gerado. O conjunto experimental C20). usado neste exemplo é semelhante ao representado na fig. 3.

Um molde de grafite (21) (grafite da qualidade ATJ da Union Carbide e obtido na MGP# Womelsdorf, PA), com um diâmetro Interior de cerca de 32 mm (1/25"), uma altura de cerca de 51 mm (2") e uma espessura de par£ de de cerca de 13 mm (0,5") foi colocado no fundo de um recipiente de aço inoxidável X.12) , com um diâmetro interior de cerca de 67 mm (2,6") e uma altura de 89 mm (3,5"), feito de aço inoxidável tipò 304 de calibre 16 (.1,6 mm de espessura). Encheu-se substancialmente o espaço entre o molde de grafite (21) e o recipiente de aço inoxidável (12) , até ao topo do molde de grafite (21) com um leito (23) constituído por Al203 de 500 grit (EI Alundum, Norton Co., Worcester, ma). Encheu-se depois a cavidade cilíndrica do molde de grafite (21) substancialmente com cerca 76 / de 80 g de um material de enchimento (11) que compreende A^O^ de 90 grit (38 Alundum Norton Co.). Cobriu-se substancialmente , mas não completamente, a superfície do leito (23) no topo do molde de grafite (.21) , com um pedaço de folha de grafite (.22) (Perma-foil da TT America, Portland, OR). Vazaram-se cerca de 25 mm (1") de um metal da matriz de bronze fundido (13), que compreende, em peso, cerca de 6% Si, cerca de Q,5% Fe, cerca de 0,5% Al e o restante de cobre, a uma temperatura de cerca de 1 100°C, no interior do recipiente de aço inoxidável (12) e sobre a cobertura da folha de grafite do molde C21). Utilizaram -se cerca de 20 gramas de em pó (Aesai^, Johnson

Matthey, Seabrook, NH) para cobrir substancialmente a superfície do metal da matriz de bronze Cl3). Colocou-se 0 conjunto (20), que compreende o recipiente de aço inoxá. dável (12) e o seu conteúdo, num forno de caixa com atmos fera de ar, aquecido por resistência, a uma temperatura de cerca de 1 100°C, Após cerca de 2 horas a cerca de 1 100°C, tempo durante o qual o B2°3 de maneira substancialmente completa, se desgasificou e formou uma vedação impermeável aos gases (14), removeram-se o conjunto- (20), constituído pelo recipiente de aço inoxidável (12) e o seu conteúdo, do forno e colocou-se numa placa de arrefecimento de cobre, arrefecida por água, para solidificar direccionalmente o metal da matriz de bronze.

Uma vez atingida a temperatura ambiente, desmontou-se o conjunto (20) e observou-se que o;ie-tal da matriz de bronze (13) se tinha infiltrado no mate- - 77 - /'· rial de enchimento (11) para formar um cilindro compósito com matriz de metal de bronze com um bom acabamento superficial em todas as superfícies. Especificamente, a fig. 12 mostra uma fotografia correspondente ao cilindro compósito com metal da matriz de bronze (.100) feito de acordo com os procedimentos apresentados neste Exemplo.

Exemplo 8

Este Exemplo demonstra a utilização de um elemento de grafite ou macho para modelar a superfície interior de um corpo compósito com matriz de metal feito utilizando a técnica do vácuo auto-gerado. 0 conjunto experimental usado neste Exemplo foi semelhante ao representado na fig. 4. Especificamente, utilizou-se um macho de grafite nervurado (31) (.grafite AGSX da Union Carbide), com um diâmetro interior de cerca de 25 mm (1") e uma altura de cerca de 38'mm (1,5"), com nervuras colocadas cerca de 20° em 20° ao longo do perímetro do macho (31), medindo cerca de 0,16" (calibre 16) para além da periferia do macho e tendo uma largura de cerca de 2,5 mm (.0,1"). e estendendo-se por cerca de 38 mm (1,5”) de comprimento do macho de grafite (.31) , para formar um corpo compósito com matriz de metal com um diâmetro inte rior nervurado correspondente ao diâmetro exterior do macho (31) e um diâmetro exterior liso.

Golocou-se o macho de grafite (31) , modelado com uma configuração que é o negativo da configuração desejada do interior do compósito final desejado, num recipiente (12) com um diâmetro interior de cerca de 48 mm (1,9") e uma altura de cerca de 89 mm (3,5") e 78

78 J feito de aço inoxidável tipo 304 de calibre 16 (1,5 mm de espessura). Vazou-se um material de enchimento (11), que compreende, em peso, 95% de SiC de 90 grit (39 Crysto lon, Norton Co.) e cerca de 5% de estanho de -325 mesh C Atlantic Equipment Engineers, Bergenfield, NJ), no interior do anel definido entre o recipiente de aço inoxidável (12) e o macho de grafite nervurado (311. Vazaram--se cerca de 38 mm (1,5") de metal da matriz de bronze fundido (13), contendo, em peso, cerca de 5% Si, cerca de 2% Fe, cerca de 3% Zn e o restante de cobre, no recipiente de aço inoxidável e sobre o material de enchimento de SiC de 90 grit (11) envolvendo o macho de grafite nervurado (31) . Utilizaram-se depois cerca de 2o g de

J em pò (Aesar ® , «Johnson Matthey, Seabrook, NH> para cobrir de maneira substancialmente completa a superfície do metal da matriz de bronze. Colocou-se o conjunto (30), constituído pelo recipiente de aço inoxidável (12) e o seu conteúdo, num forno de caixa com atmosfera de ar aquecido por resistência a cerca de 1 100°C. Passadas 2 horas a cerca de 1 100°C, tendo durante esse tempo o B-0- substancialmente fundido, desgasificado e formado & — uma vedação impermeável aos gases (14) e tendo-se verificado que o metal da matriz (13) baixara o seu nível, retirou-se o conjunto (30) do forno para solidificar o compósito com matriz de bronze. A temperatura ambiente, desmontou-se o conjunto (30) para revelar um corpo compósito com matriz de bronze envolvendo o macho de grafite nervurado (31).

Retirou-se o macho de grafite nervurado (31) do corpo compósito com matriz de bronze colocando o corpo compósito com matriz de bronze que envolve o macho de grafite nervurado (31) num forno de caixa com atmosfera de ar, aquecido por resistência, a cerca de 600°C. Passadas 12 horas a cerca de 600°C, o macho de grafite nervurado (31) tinha-se oxidado de maneira suficientemente completa e recuperou-se um corpo compósito com matriz de bronze com uma periferia interior que reproduzia invej: samente o macho de grafite nervurado. Especificamente, a fig. 13 mostra uma fotografia que corresponde ao cilindro (110) de compósito com matriz de bronze, com a sua superfície exterior (112) maquinada e a superfície interior (111) reproduzindo inversamente a superfície exterior do macho de grafite (31) .

Exemplo 9

Este Bxemplo demonstra a utilização de um molde dividido para formar um corpo compósito com matriz de metal pela técnica do vácuo auto-gerado. A fig. 14 é uma vista esquemática em corte do conjunto experimental deste Exemplo.

Maquinou-se um molde mestre, com um diâmetro exterior de cerca de 45 mm (1,75“> e uma altura de cerca de 21 mm (0,81"), com uma cavidade hemisférica com um diâmetro de cerca de 35 mm (1,38"), a partir de uma liga de alumínio existente no mercado. Colocou-se o molde mestre coaxialmente no interior de um tubo de PVC existente no mercado, com um diâmetro exterior de cerca de 76 mm (3"), uma altura de cerca de 38 mm (1,5“) e uma espessura de parede de cerca de 9,5 mm (0,38“). Fez-se 80 * um molde negativo de borracha vazando um composto de bor racha para moldação (GI-looo, Plastic Tooling Co., Easton, PA, cerca de 1 parte, em peso, de activador e cerca de lo partes, em peso, de base de borracha) no espaço anular entre o tubo de PTTC e o molde mestre de alumínio.

Uma vez o molde negativo de borracha suficientemente endurecido, fizeram-se moldes de barreira positivos C21) vazados, a partir do molde de borracha •1 negativo, com uma mistura que contêm, em peso, cerca de (p\ 1 parte de sílica coloidal (NTACOIj 20401 NH^, Nyacol Products, Ashland, MA), cerca de 2 partes de Al2Q3 de 500 grit (38 Alundum da Norton Co.}, cerca de 1 parte de Al203 de 220 grit (38 Alundum, Norton Co.) e 0,2 parte de água. Deixou-se endurecer os moldes de barreira positivos durante cerca de 2 horas a cerca da temperatura ambiente. Passadas 2 horas, deitou-se fora o excesso de água da mistura de moldação e colocaram-se os moldes negativos de borracha, contendo os moldes de barreira (21) , num congelador, colocado a cerca de -18°C, durante cerca de 8 horas. Separaram-se depois os moldes negativos de borracha dos moldes positivos de barreira (21) e colocaram-se depois os moldes de barreira positivos (21) num forno de caixa, com atmosfera de ar, aquecido por resistência a cerca de 1 000°C, durante cerca de 1 hora. Abriu -se depois um furo com cerca de 9 mm (0,38”) de diâmetro (121) ao longo do eixo do diâmetro exterior de um molde de barreira e depois através da cavidade hemisférica (como se mostra na fig. 14). Pôs-se o molde de barreira positivo (21) com o furo em contacto com um outro molde 81

de barreira positivo (.21) de modo a formar no interior uma cavidade esférica com um diâmetro de cerca de 35 mm (1/38"). Os dois moldes de barreira positivos (21) forma ram assim um molde dividido (122). Vazou—se uma mistura de revestimento contendo/ em peso, 50% de vermiculite coloidal (W.R. Grace & Co., Lexington, MA) e 5o% de água na cavidade esférica do molde dividido/ através do furo (121) . Deixou-se permanecer a mistura de revestimento no molde dividido (122) durante cerca de 2 minutos e depois deitou-se fora/ tendo-se formado durante esse tempo um revestimento (25) na cavidade esférica do molde dividido (122) . Subsquentemente/ colocou-se o molde dividido revesi tido (122) num forno, colocado a cerca de 110°C, durante cerca de 2 horas. Passadas 2 horas de permanência, cozeu--se o molde dividido revestido (.122) a cerca de 1 000°C durante cerca de 1 hora.

Encheu-se o interior do molde dividido revestido (122) com um material (11) que contém SiC de 90 grit (39 Crystolon, Norton Co.). Colocou-se depois o molde dividido (122) num recipiente de aço inoxidável (12) num leito (23) que compreende A^O-j de 500 grit (38 Alundum, Norton Co.) . O·' furo (121) na parte inferior do molde dividido (122) foi coberto substancialmente com folha de grafite.(22) (Perma-foil, TT America, Portland, OR) . Vazou-se depois metal da matriz de bronze fundido (13) constituído, em peso, por cerca de 5% si, cerca de 2% Fe, cerca de 3% Zn e o restante de cobre no recipiente de aço inoxidável (12) e sobre o molde dividido (122) envolvido pelo leito fino (23) e uma camada de pó de 82

B203 sobre ο metal da matriz fundido.

Colocou-se o conjunto experimental (120) constituído pelo recipiente de aço inoxidável (12) e o Seu conteúdo, num forno de caixa, com atmosfera de ar, aquecido por resistência a cerca de 1 100°C. Depois de cerca de 3 horas a cerca de 1 100°C, retirou-se o conjunto (12Q) do forno para solidificar o corpo compósito com matriz de metal de bronze. tTma vez b. temperatura ambiente, desmontou-se o molde (122) para revelar que o metal da matriz de bronze (.13) se tinha infiltrado no material de enchimento Cll) para formar uma esfera de compósito com matriz de metal de bronze. Além de demonstrar, a utilização de moldes divididos, este Exemplo demonstra que os metais podem ser arrastados de baixo para cima em moldes de barreira para infiltrar um material de enchimento, para formar um corpo compósito com matriz de metal .

Exemplo 10

Este Exemplo demonstra o uso de um macho de barreira constituído por um leito de partículas finas e um ligante para definir a forma interior de um compósito com matriz de metal. Usou-se neste exemplo um conjunto experimental semelhante ao representado na fig. 4.

Especificamente, formou-se uma roda dentada interna fazendo primeiramente um elemento ou macho de barreira (31), com uma forma negativa da configuração interna desejada para a roda dentada, a partir de uma mistura que compreende, em peso, cerca de 20% de gesso de Paris (Bondex, Bondex International, Inc. Brunswick, OH) e 80% de AI2O3 de 500 grit (38 Alundum, Norton Co.). Uma vez suficientemente solidificado e seco, centrou-se 0 macho de barreira (31) num recipiente de aço inoxidável (12) com um diâmetro interior que se adapta ao diâmetro exterior desejado da peça de compósito com matriz de metal final a formar. Encheu-se depois o espaço entre o macho de barreira (31) e o recipiente de aço inoxidável (12) cora ura material de enchimento Cll) que contém, em peso, 90% de de 90 grit (38 Alundum,

Norton Co.) e 10% de estanho de -325 mesh (Atlantic Equipment Engineer, Bergenfield, NJ). Vazou-se um metal , da matriz de bronze fundido (13) constituído, em peso, por cerca de 5% Si, cerca de 2% Fe, cerca de 3% Zn e o restante Cu, no recipiente de aço inoxidável C12) e sobre o material de enchimento Cll) até uma profundidade de cerca de 25 mm Cl") e vazou-se em pó sobre o me tal da matriz fundido para formar uma vedação extrínseca (.14) depois da sua fusão.

Colocou-se o conjunto experimental (30) constituído pelo recipiente de aço inoxidável e o seu conteúdo, num forno de caixa com atmosfera de ar de aço inoxidável posto a cerca de 1 100°C. Após aproximadamen-te 3 horas a cerca de 1 100°C, retirou-se o conjunto (30) do forno e arrefeceu-se até á temperatura ambiente. SujejL tou-se depois o macho de barreira (31) a um jacto de areia a partir do corpo compósito com matriz de metal de bronze, dando como resultado uma forma interna no corpo compósito com matriz de metal que se adapta à superfície 84 / exterior do macho de barreira (31). Especificamente, a fig. 15 mostra uma fotografia que corresponde ao corpo compósito com matriz de bronze (130) com engrenagens (131) na parte interior do corpo compósito com matriz de bronze Cl3o).

Exemplo 11

J

Este Exemplo demonstra que pode fazer--se, com a técnica do macho transitório, uma estrutura com matriz de metal relativamente intrincada. Especificamente, fez-se uma treliça c.om matriz de metal a partir de vim molde mestre de madeira de balsa. O molde mestre de madeira de balsa foi formado colando ripas de madeira de balsa existente no mercado entre si, como se mostra esquematicamente na fig. 16a. Revestiu-se depois o molde mestre de madeira de balsa com pelo menos duas camadas de tinta de prata (P-1140 distribuída pela Pep Boys, Philadelphia, PA). Depois de ter secado a tinta de prata, fixou-se o molde mestre de madeira de balsa no fundo de uma caixa de papel com as dimensões de cerca de 127 x 51 x 25 mm (5" x 2" x 1") com uma vaselina C^aseline^ Cheeseborough-Pond*s, Inc. Greenwich, CT).

Depois de o molde mestre ter sido fixa do na caixa de papel, formou-se uma mistura para α molde de barreira, misturando, em peso, cerca de 1 parte de silica coloidal (NÍACOL® 2040 NH^A, Nyacol Products, Ashland, MA), cerca de 2 partes de de 500 grit (38 Alundum, Norton Co., Worcester, Ma), cerca de 1 parte de Αΐ,Οο de 220 grit (38 Alundum, Norton Co., Worces-ter. Ma) e cerca de 0,2 parte de água. Depois de liberta da espuma e do ar, vazou-se esta mistura de barreira sobre o molde mestre de madeira de balsa e deixou-se endurecer durante cerca de 2 horas, aproximadamente á temperatura ambiente. Após cerca de 2 horas, absorveu-se o excesso de água da mistura de barreira com uma toalha e vazou-se AI2O3 de 220 grit (38 Alundum, Norton Co., Worcester, Ma) sobre a superfície da peça moldada para absorver qualquer excesso de água. Colocou-se depois a mistura de barreira, envolvendo o molde mestre de madeira de balsa, num congelador e manteve-se a cerca de -18°C durante cerca de 8 horas. Colocou-se depois o molde de material de barreira endurecido envolvendo o molde mestre de madeira de balsa num forno de caixa, com atmosfera de ar, aquecido por resistência, durante cerca de 1 hora, e manteve-se a cerca de 1 000°C. Durante esta hora a cerca de 1 000°C, a madeira de balsa ardeu para formar uma cavidade interior no molde de barreira. Depois de retirado do forno, deixou-se o molde de barreira arrefecer e sopraram -se depois para fora do molde de barreira as cinzas restantes da madeira de balsa. Cortou-se o molde de barreira com dimensões que se ajustassem ao interior do recipiente impermeável adiante descrito. Vazou--se uma mistura de revestimento compreendendo, em peso, cerca de 50% de vermiculite coloidal (Microlite N2 903, W.R. Grace & Co#, Lexington, MA) e cerca de 50% de água no interior do molde de barreira. Deixou-se esta mistura de revestimento permanecer no molde de barreira cozido durante cerca de 2 minutos, formando-se durante esse tempo um revestimento no molde de barreira. Depois, colo— >·· 1,- / 1 86 cou-se ο molde de barreira revestido no interior do forno aquecido a cerca de 60°c, durante cerca de 2 horas.

Após 2 horas a cerca de 60°C, cozeu-se o molde de barreai ra revestido a cerca de 1 00C°C, durante cerca de 1 hora.

Colocou-se depois o molde de barreira revestido num recipiente impermeável feito de aço inoxidável tipo 304, de calibre 16 (1,6 mm de espessura) com as dimensões interiores de cerca de 125 x 36 x 43 mm (4,9“ x 1,4" x 1,7"). Encheu-se depois o espaço entre o molde de barreira revestido e o recipiente de aço inoxidável com um leito que compreende AI2O3 de 500 grit (38 Alundum, Norton Co., Worcester, Ma). O molde de barreira revestido foi cheio com um material de enchimento compreendendo AI2O3 de 220 grit (38 Alundum, Norton Co., Worcester, MA) .

Cobriu-se depois o molde de barreira cheio com material de enchimento com uma peça de folha de grafite (PERMA-FOIIt , TT America, Portland, OR) . Fun-diu-se um metal da matriz compreendendo uma liga de alumínio disponível no mercado designada por 5061 com uma liga de magnésio adicional com cerca de 4%, em peso, e vazou-se no interior do recipiente de aço inoxidável e sobre a folha de grafite, cobrindo assim o material de enchimento no molde de barreira. Depois, vazou-se B203 em pó sobre o metal da matriz fundido e colocou-se o conjunto num forno de caixa, com atmosfera de ar, aquecido por resistência, a cerca de 85o°C. Deixaram-se decorrer cerca de 15 minutos para o B203 fundir, se des-gasificar e formar uma vedação impermeável aos gases. - 87 / r-í*

Deixou-se ο conjunto a cerca de 950°C durante cerca de mais 2 horas, após o que se retirou o conjunto e o seu conteúdo do forno e colocou-se numa placa de refrigeração de cobre, arrefecida por água, para solidificar dire£ cionalmente o compósito com matriz de metal.

Uma vez ã temperatura ambiente, separou-se por corte o recipiente de aço inoxidável do metal da matriz residual solidificado e o molde de barreira revestido. Obeervou-se que a fita de grafite facilitou a separação da carcaça de metal da matriz do corpo compósito com matriz de metal. Colocou-se depois o molde de barreira revestido num dispositivo de jacto de areia, aplicando-se ao molde de barreira um jacto de areia para remover o molde de barreira, revelando uma treliça com forma quase definitiva constituída por um compósito com matriz de metal de alumínio. Especificamente, a fig. 16b mostra uma fotografia correspondente à treliça (141) de compósito com matriz de metal de alumínio feita de acordo com este Exemplo.

Exemplo 12

Este Exemplo demonstra a fabricação de uma estrutura com matriz de metal de forma relativamente intrincada utilizando uma técnica de cera perdida. Especificamente, formou—se uma treliça com matriz de metal a partir da peça mestra. A peça mestra (140) , representada na fig. 16a foi formada colando tiras de folha de cera regulares (165, Freemen Co,, Belleville, NJ) entre si. Colocou-se depois a peça mestra de cera num recipiente de aço inoxidável com um comprimento de cerca de 152mm 88 (6”)/ uma largura de cerca de 51 mm (2") e uma altura de cerca de 51 mm (2M}. Vazou-se uma mistura de barreira compreendendo/ em peso, cerca de 5o% de cimento de alu-minato de cálcio (Secar 71, Lafarge Calcium AluminateS/ Chesapeafce, Va) e cerca de 50% de Al2Q3 de 500 grit (39 Alundum, Norton Co.) e água substancialmente suficiente para tornar a mistura de barreira susceptível de ser vazada no recipiente de aço inoxidável e sobre a peça mestra de cera até k altura da peça mestra de cera.

Depois de a mistura de barreira ter solidificado suficientemente no recipiente de aço inoxidável e em torno da peça mestra de cera, retirou-se a peça mestra de cera, colocando primeiro o conjunto experimental num forno aquecido a cerca de 150°C, durante cerca de 3 horas, e fundindo-se a cera. Colocou-se depois o conjunto num forno de caixa, com atmosfera de ar, aquecido por resistência a cerca de 850°C, durante aproxima— damente 1 hora, para queimar qualquer cera residual deixada depois da fusão, para produzir um invólucro de barreira, em negativo, da treliça de cera mestra. Encheu-se o espaço no invólucro de barreira com um material de enchimento de SiC de 90 grit (39 Crystolon, Norton Coé). Vazou-se um metal da matriz de alumínio fundido, compreendendo, em peso, cerca de 7,5-9,5% Si, 3,0-4,0% Cu, 4 2,9% Zn, 0,2-0,3% Mg,^ 1,3% Fe, ^ 0,5% Mn,g 0,35%

Sn e o restante de Al, no recipiente de aço inoxidável e sobre o invólucro de barreira cheio com o material de enchimento, até uma profundidade de cerca de 13 mm (0,5"). trtilizou-se depois B203 em pó para cobrir de maneira 89 / substancialmente completa a superfície do metal de matriz de alumínio fundido. Colocou-se o conjunto, que compreende o recipiente de aço inoxidável e o seu conteúdo, num forno com atmosfera de ar, aquecido por resistência, a cerca de 85o°C. Após cerca de 4 horas a cerca de 85o°C, durante as quais ο ΒβΟβ se tinha substancialmente fundido, desgasifiçado e formado uma vedação impermeável aos gases, retirou-se o conjunto e deixou-se arrefecer á. temperatura ambiente. Desmontou-se o conjunto e removeu--se o invólucro de barreira por jacto de areia, para revelar uma treliça de compósito com matriz de alumínio.

Exemplo 13

Repetiu-se substancialmente o processo do Exemplo 1 para fazer uma roda de bomba centrífuga com um diâmetro de cerca de 89 mm (3,5''} , excepto que se usa ram um metal de matriz, uma temperatura de processamento e um invólucro de barreira diferentes. O invólucro de bar reira foi formado a partir de uma mistura que compreende, em peso, 2 partes de de 500 grit (38 Alundum, Nor ton Co.), 1 parte de Α^Οβ de 90 grit (38 Alundum, Norton Co.) e 1 parte de alumina coloidal (Bluonic A, fornecida pela Wesbond Corp., Wilmington, DE). 0 metal da matriz (13) foi uma liga de bronze que compreende, em peso, cerca de 6% Si, cerca de 1% Fe e o restante de cobre, e o material de enchimento (11) foi SiC de-90 grit (39 Crystolon Norton Co.). Colocou-se o conjunto (40) num forno com atmosfera de ar aquecido por resistência a cer ca de 1 100°C tendo o tempo necessário para que o metal da matriz se infiltrasse no material de enchimento sido de cerca de 3,5 horas. Especificamente, a fig. 17 mostra uma fotografia correspondente da roda (150) com matriz de bronze formada neste Exemplo.

Claims

-91- H // J REIVINDICAÇÕES J 1.- Processo de formaçiô de um corpo compósito com matriz metálica modelado, caracterizado por compreender as fases de: formar um sistema de reacção que compreende um metal da ma triz, uma atmosfera reactiva, um recipiente impermeável, uma massa permeável que compreende pelo menos um material escolhido do grupo formado por uma massa solta de material de enchimento ou um prê-molde de material de enchimento, e um meio de barreira que está em contacto com pelo menos uma parte de pelo menos uma superfície da referida massa permeável e que está pelo me- V f-92- / nos parcialmente afastado do referido metal da matriz para esta belecer pelo menos uma superfície do referido corpo compósito com matriz metálica modelado; vedar pelo menos parcialmente o sistema de reacção de uma atmosfera ambiente que i exterior ao referido sistema de reacção de modo a conseguir obter um diferencial de pressão líquido entre a referida atmosfera reactiva e a referida atmosfera ambiente, sendo a vedação proporcionada por uma vedação extrínse ca e/ou uma vedação física intrínseca e/ou uma vedação química intrínseca; e aquecer o sistema de reacção para fundir o metal da matriz e infiltrar pelo menos parcialmente a referida massa permeável com o referido metal da matriz fundido até ao referido meio de barreira, formando assim o referido corpo compósito com matriz metálica modelado tendo a superfície ou superfícies estabeleci^ da(s) pelo referido meio de. barreira.
2.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteriza do por a vedação pelo menos parcial compreender o isolamento substancialmente completo da referida atmosfera reactiva da re ferida atmosfera ambiente.
3.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteriza do por o referido diferencial de pressão líquido existir duran te pelo menos uma parte da referida infiltração do metal da ma ,-93- triz no interior âa referida massa permeável até ao referido meio de barreira.
4. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteri zado por o referido metal da matriz compreender pelo menos um material escolhido do grupo formado por alumínio, magnésio, bronze, cobre e ferro fundido·.
5. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteri-zado por compreender ainda proporcionar pelo menos um intensi-ficador do molhamento ao referido sistema de reacção.
6. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteri- zado por compreender ainda proporcionar pelo menos um facili-tador da vedação no referido sistema de reacção.
7. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteri-zadc por a referida vedação pelo menos parcial ser proporcionada por uma vedação extrínseca que compreende pelo menos um material vítreo.
8. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteri-zado por a referida vedação pelo menos parcial ser proporcionada por uma vedação química intrínseca que compreende um pro duto da reacção do referido metal da matriz e a referida atmos fera ambiente.
9. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteriza do por a vedação pelo menos parcial ser proporcionada por uma vedação física intrínseca gue compreende um molhamento do reci. piente impermeável pelo referido, metal da matriz.
10. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteriza do por a referida vedação pelo menos parcial ser proporcionada por uma vedação química intrínseca que compreende um produto da reacção do referido metal da matriz e o referido recipiente impermeável.
11.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteri-zado por a referida atmosfera reactiva reagir pelo menos parcialmente com pelo menos um dos referidos metal da matriz, o referido material de enchimento e o referido recipiente impermeável, donde resulta o referido diferencial de pressão líquido.
12.- Processo de acordo com a reivindicação 5, caracteri-zado por o referido intensificador do molhamento formar uma li ga com o referido metal da matriz.
13.- Processo de acordo com a reivindicação 5, caracteri- -95- - Hy.. -tf zacto poro referido metal da matriz compreender alumínio e o re ferido intensificador do molhamento compreender pelo menos um material escolhido do grupo constituído pelo magnésio, o bismuto, o chumbo e o estanho.,
14. - Processo de acordo com a reivindicação 5, caracteri-zado por o referido metal da matriz compreender pelo menos um dos metais bronze e cobre e o referido intensificador do molhc-mento compreender pelo menos um material escolhido do grupo constituído pelo selénio, o telúrio e o enxofre.
15. - Processo de acordo com a reivindicação 5, caracteri-zado por o intensificador do molhamento ser fornecido a partir de uma fonte exterior. J
16. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteri-zado por pelo menos uma parte do referido recipiente impermeável compreender os referidos meios de barreira.
17. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteri-zado por os referidos meios de barreira compreenderem pelo me - nos um material escolhido do grupo formado por um metal, uma cerâmica, um compósito cerâmico ou uma argila.
18.- Processo de acordo com a reivindicação 17, caracteri- zado por os referidos meios de barreira compreenderem iam material em partículas não susceptível de ser infiltrado nas condições do processo.
19. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteri-zado por os referidos meios de barreira compreenderem pelo menos um material escolhido do grupo constituído por carbono, gra fite, diboreto de titânio, gesso de Paris, alumina e sílica.
20. - Processo de acordo cora a reivindicação 1, caracteri-zado por os referidos meios de barreira serem substancialmente não molháveis pelo referido metal da matriz.
21. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteri-zado por os referidos meios de barreira estarem contidos no in terior do referido recipiente impermeável.
22. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteri-zado por os referidos meios de barreira serem aplicados â superfície ou ãs superfícies da referida massa permeável por pe lo menos um processo escolhido do grupo constituído pela pintura, a imersão, a serigrafia, a evaporação e a deposição catí dica.
23.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteri- 97- zado por o referido meio de barreira compreender uma folha de grafite flexível que é colocada em contacto de topo com a referida superfície ou as referidas superfícies.
24. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteri- 3 zado por se incluir além disso.um facilitador da separação que favorece a separação do referido compósito com matriz de metal modelado do referido recipiente impermeável e/ou dos referidos meios de barreira e/ou do referido metal da matriz.
25. - Processo de acordo com a reivindicação 24, caracteri-zado por o referido facilitador da separação compreender pelo menos um material escolhido do grupo constituído pela grafite, o óxido de boro e o estanho. J
26. - Processo de acordo com a reivindicação 24, caracteri-zado por o referido facilitador da separação estar contido no interior dos referidos meios de barreira.
27. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteri-zado por a referida massa permeável compreender pelo menos um material escolhido do grupo constituído por pôs, flocos, plaquetas, micro-esferas, filamentos emaranhados, pérolas, fibras, partículas, mantos de fibras, fibras cortadas, esferas, grânulos, tubulos e tecidos refractãrios. A A
28.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteri-zado por a referida massa permeável compreender pelo menos um material escolhido do grupo formado pelos óxidos, os carbonetos, os boretos e os nitretos.
29. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteri-zado por o referido recipiente impermeável compreender.pelo me nos um material escolhido do grupo formado por uma cerâmica, um metal, um vidro e um polímero.
30. - Processo de acordo com a reivindicação 29, caracteri-zado por o referido recipiente impermeável compreender alumina ou carboneto de silício.
31. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteri-zado por a referida atmosfera reactiva compreender pelo menos um material escolhido do grupo constituído por uma atmosfera contendo oxigénio e uma atmosfera contendo azoto.
32. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteri- zado por o referido metal da matriz compreender alumínio e a referida atmosfera reactiva compreender ar, oxigénio ou azoto.
33.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteri-zado por o referido metal da matriz compreender um metal de ma- triz de bronze e/ou um metal de matriz de cobre e/ou um metal de matriz de ferro fundido e por a atmosfera reactiva compreen der ar, oxigénio ou azoto.
34. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteri-zado por a temperatura do referido sistema de reacção ser mais elevada do que o ponto de fusão do referido metal da matriz, mas mais baixa do que a temperatura de volatilização do referido metal da matriz e o ponto de fusão’ do referido material de enchimento.
35. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteri-zado por o referido metal da matriz compreender alumínio e o material de enchimento compreender pelo menos um material escolhido do grupo formado pelos óxidos, os carbonetos, os bore-tos e os nitretos.
36. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteri- zado por o referido sistema de reacção vedado ser aquecido a uma temperatura de cerca de 700°C a 1 Q00°C quando o metal da matriz compreender alumínio ; de cerca de 1050°C a 1125°C quando o referido metal da matriz compreender bronze ou cobre; e de cerca de 1250°C a 1400°C quando o referido metal da matriz compreender ferro fundido. -100-
37. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteri-zado além disso por compreender a solidificação direccional do corpo compósito com matriz metálica modelado formado.
38. - Processo de acordo com a reivindicação 4, earacteri- zado por o referido material de. enchimento compreender pelo me nos um material escolhido do grupo formado por alumina, carbone to de silício, zircõnio, nitreto de titânio, carboneto de boro e misturas dos mesmos.
39.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteri-zado por a referida vedação pelo menos parcial ser proporciona da por uma vedação extrínseca que compreende pelo menos um material escolhido do grupo formado por vidros de boro, vidros de silício e ^2^3' *3ue ^un<^e Pel° menos parcialmente durante pe lo menos uma parte da referida infiltração.
40. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteri-zado por os referidos meios de barreira compreenderem um molde que compreende pelo menos um material escolhido do grupo formado por alumina, sílica, vermiculite, grafite, gesso de Paris e aço inoxidável.
41. - Processo de acordo com a reivindicação 41, caracteri J J zado por o referido molde funcionar também como recipiente impermeável. Lisboa, 17 de Julho de 1990 f' Ar aij-o í ;A. ϊΠιΑίΐ'ι?')

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