PT92246B - Tecnica de moldacao de precisao pelo processo de corpos compositos com matriz de metal e produtos produzidos por esta tecnica - Google Patents

Description

TÉCNICA DE MOLDAÇÃO DE PRECISÃO PELO PROCESSO DA CERA PERDIDA PARA A MODELAÇÃO DE CORPOS COMPÓSITOS COM

MATRIZ DE METAL E PRODUTOS PRODUZIDOS POR ESTA

TÉCNICA

Çampo__d a__lnve nção

A presente invenção refere-se a um novo processo para a formação de corpos compósitos com matriz de metal e a novos produtos produzidos com os mesmos. Forma-se em primeiro lugar uma forma negativa, ou cavidade complementar do corpo compósito com matriz de metal desejado a produzir. Enche-se depois a cavidade formada com uma massa permeável de material de enchimento. Induz-se depois o metal da matriz a infiltra-se espontaneamente na cavidade preenchida. Em particular, um intensificador da infiltração e/ou um percursor do inten3ificador da infiltração e/ou uma atmosfera infiltrante estão também em comunicação com o material de enchimento, pelo menos em determinado instante durante o processo, o que permite que o metal da matriz , quando fundir, se infiltre espontaneamente na massa permeável de material de enchimento que em determinado instante durante o processamento pode tornar-se auto-suportado. Numa forma de realização preferida,

podem produzir-se cavidades por um processo análogo ao chamado processo de cera perdida.

Fundamento_da_invenção

Os produtos compósitos que compreendem uma matriz de metal e uma fase de fortalecimento ou reforço, tal como, partículas, filamentos emaranhados, fibras ou similares, mostram-se muito prometedores para uma certa variedade de aplicações porque eles combinam um pouco da firmeza e da resistência ao desgaste da fase de reforço com a ductilidade e a tenacidade da matriz de metal. Em geral um compósito com matriz de metal apresentará uma melhoria em propriedades, a firmeza, a resistência ao desgaste devido ao contacto e a retenção da resistência às temperaturas elevadas relativamente ao metal da matriz sob a forma monolítica, mas o grau em que qualquer propriedade dada pode ser melhorada depende grandemente dos constituintes específicos, da sua percentagem em volume ou em peso e da maneira como eles são processados na modelação do compósito. Em alguns casos, o compósito pode também ser mais leve que o metal da matriz em si. Os compósitos com matriz de alumínio reforçados com cerâmicas, tais como, carboneto de silício, na forma de partículas, plaquetas ou filamentos emaranhados, por exemplo, têm interesse devido a suas maiores firmeza, resistência ao desgaste e resistência a temperaturas elevadas, em comparação com o alumínio.

Têm sido descritos vários processos metalúrgicos para a fabricação de compósitos com matriz de alumínio, incluindo processos baseados na técnica da metalurgia dos pós e nas técnicas de infiltração de metal líquido, que empregam a moldação sob pressão, a moldação no vácuo, a agitação e agentes molhantes. Com as técnicas da metalurgia dos pós, o metal sob a forma de um pó e o material de reforço sob a forma de um pó, filamentos emaranhados, fibras cortadas, etc, são misturados e depois prensados a frio e sinterizados ou prensados a quente. A percentagem máxima, em volume, de cerâmica nos compósitos com matriz de alumínio reforçados com carboneto de silício produzidos por este processo tem sido indicada como sendo cerca de 25 por cento, em volume, no caso dos filamentos emaranhados e cerca de 40 por cento, em volume, no caso dos materiais em partículas.

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

A patente norte americana ns 3.970.136, con4 cedida em 20 de Julho de 1976, a J.C. Cannell e outros, descreve um processo para a modelação de um compósito com matriz de metal que incorpora um reforço fibroso, por exemplo filamentos emaranhados de carboneto de silício ou de alumina, com um padrão pré-determinado da orientação das fibras. O compósito é feito colocando mantos ou feltros paralelos de fibras complanares num molde com um reservatório de metal da matriz por exemplo alumínio fundido entre pelo menos alguns dos mantos e aplicando pressão para forçar o metal fundido a penetrar nos mantos e envolver as fibras orientadas. 0 metal fundido pode ser vazado na pilha de mantos enquanto é forçado sob pres são a circular entre os mantos. Tem sido referidas cargas até cerca de 50%, em volume, de fibras de reforço no compósito.

processo de infiltração atrás descrito, tendo em vista a sua dependência da pressão externa para forçar o metal da matriz fundido através da pilha de mantos de fibras, está sujeito aos caprichos dos processos de fluência induzidos pela pressão, isto é, a possível não uniformidade da formação da matriz, porosidade, etc. A não uniformidade das propriedades é possível embora o metal fundido possa ser introduzido numa multiplicidade de locais no interior do agregado fibroso.

Consequentemente, é necessário proporcionar agregados de mantos /reservatório e trajectos do fluxo complicados para se obter a penetração adequada e uniforme da pilha de mantos de fibras.

Também, o processo de infiltração sob pressão atrás referido apenas permite obter um reforço relativamente baixo da percentagem em volume da matriz, devido à dificuldade de infiltração de um grande volume de mantos. Mais ainda, são necessarios moldes para manter o metal fundido sob pressão, o que aumenta o custo do processo. Finalmente, o processo atrás citado, limitado à infiltração de partículas ou fibras alinhadas não se orienta para a formação de compósitos com matriz de alumínio reforçados com matérias sob a forma de partículas, filamentos ou fibras orientados aleatoriamente.

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

A Patente norte-americana Ns 4.232.091 concedido o R.W. Grimshaw e outros, vence certas dificuldades técnicas encontradas na produção de compósitos com matriz de alumínio e alumina. Essa Patente descreve a aplicação de pressões de 75-375 Kg/cm^ para forçar alumínio fundido (ou a liga de alumínio fundida) num manto de fibras ou de filamentos emaranhados de alumina que foi pré-aquecido a uma temperatura de

O X

700 a 1050 C. A relação maxima entre os volumes de alumina de metal na peça moldada sólida resultante foi 0,25/1. Devido à

sua dependência da este processo está que o de Cannell e força externa para realizar a infiltração, sujeito a muitas das mesmas deficiências outros .

A publicação do pedido de patente europeu Ns 115.742 descreve a fabricação de compósitos de alumina-alumínio, especialmente utilizáveis como componentes de pilhas eletrolíticas, pelo preenchimento dos vazios de uma matriz de alumina pré-moldada com alumínio fundido. 0 pedido de patente faz realçar a não molhabilidade da alumina pelo alumínio e, portanto são usadas várias técnicas para molhar a alumina em todo o pré-molde. Por exemplo, reveste-se a alumina com um agente molhante formado por um diboreto de titânio, de zircónio, de háfnio ou de nióbio ou com um metal, isto é, lítio, magnésio, cálcio, titânio, crómio, ferro, cobalto, níquel, zircónio ou háfnio. Utilizam-se atmosferas inertes, tais como de árgon para facilitar o molhamento. Esta referência mostra também a aplicação de pressão para fazer com que o alumínio fundido penetre numa matriz não revestida. Nesse aspecto, a infiltração é realizada evacuando os poros e aplicando depois pressão ao alumínio fundido numa atmosfera inerte, por exemplo de árgon. Em alternativa pode infiltrar-se o pré-molde por deposição de alumínio em fase de vapor, para molhar a superfície antes de preencher os vazios por infiltração com alumínio fundido. Para assegurar a retenção do alumínio nos poros do pré-molde, é necessário um tratamen to térmico, por exemplo a 1400 a 1800^sC, no vácuo ou em árgon. Caso contrário, quer a exposição do material infiltrado sob pressão aos gases, quer remoção da pressão de infiltração causará uma perda de alumínio do corpo.

uso de agentes molhantes para efectuar a infiltração de um componente de alumina de uma pilha electrolítica com metal fundido é também apresentado no pedido de patente europeu 94353. Esta publicação descreve a produção de alumínio por extracção e1ectrolítica com uma célula tendo um alimentador de corrente catódico que forma um revestimento ou substracto da célula. Afim de proteger este substracto de criolite fundida aplica-se um revestimento fino de uma mistura de um agente molhante e um supressor de solubilidade ao substrato de alumina antes do arranque da célula ou enquanto mergulha no alumínio fundido produzido pelo processo electrolítico. Os agentes molhantes indicados são o titânio, o zircónio, o hárfnio, o silício, o magnésio, o vanádio, o crómio, o nióbio ou o cálcio, sendo o titânio mencionado como o agente preferido. Os compostos de boro, carbono e azoto são descritos como sendo utilizáveis para suprimir a solubilidade dos agentes molhantes no alumínio fundido. A referência, porém, não sugere a produção de compósitos com matriz de metal nem sugere a formação de um tal compósito numa atmosfera por exemplo de azoto.

Além da aplicação de pressão e agentes molhantes, foi indicado que um vácuo aplicado auxiliará a penetração de alumínio fundido num compacto cerâmico poroso.

Por exemplo, a patente americana Ns 3718441, concedida em de Fevereiro de 1973 a R.L. Landingham, relata a infiltração de um compacto cerâmico (por exemplo, carboneto de boro, alumina e óxido de berílio) com alumínio fundido, berílio, magnésio, titânio, vanádio, níquel ou crómio, sob um vácuo de menos de 10 torr. Um vácuo de 10 a 10 torr teve como resultado um molhamento insuficiente da cerâmica pelo metal fundido até o ponto de o metal não fluir livremente para o interior dos espaços vazios da cerâmica. Contudo, referiu-se que o molhamento melhorou quando se reduziu , n⁶ o vacuo para menos 10 torr.

A patente americana N2 3,864.154, concedida em 4 de Fevereiro de 1975, a G.E. Gazza e outros, também mostra a utilização do vácuo para se obter a infiltração.

Esta patente descreve o processo de carregar um compacto prensado a frio de pó de A1B^₂ num leito de pó de alumínio prensado a frio. Colocou-se depois alumínio adicional no topo do pó de AlB^^· Colocou-se o cadinho,carregado com compacto deAlB^^ ensanduichado entre as camadas de pó de alumínio num forno no vácuo. 0 forno foi evecuado até aproximadamente 10 ⁵ torr, para permitir a saída dos gases. Elevou-se depois a temperatura até 1100^sC e manteve-se durante um período de 3 horas. Nessas condições, o alumínio fundido penetrou no compacto de A1B₁₂ poroso.

A patente americana Ns 3.364.976, concedida em 23 de Janeiro de 1968, a John N. Reding e outrs, apresenta o conceito de criação de um vácuo autogerado num corpo para intensificar a penetração de um metal fundido no corpo.

Especificamente , descreve-se que um corpo, por exemplo, um molde de grafite, um molde de aço ou um material refractário poroso é inteiramente submerso no metal fundido. No caso de um molde, a cavidade do molde que é preenchida com um gás reactivo com o metal, comunica com o metal fundido situado exteriormente através de pelo menos um orifício no molde.

Quando se mergulha o molde na massa em fusão, verifica-se o enchimento da cavidade à medida que se produz o vácuo auto-gerado a partir da reacção entre o gás na cavidade e o metal fundido. Em particular, o vácuo é resultado da formação de uma forma oxidada sólida do metal. Assim, Reding et al descrevem que é essencial induzir uma reacção entre o gás na cavidade e o metal fundido. Contudo, utilizando um molde para criar vácuo pode ser indesejável por causa das limitações inerentes associadas com a utilização de um molde. Os moldes têm de ser primeiro maquinados para lhe dar uma forma particular e depois acabados, maquinados para produzir uma superfície de vazamento aceitável no molde, depois montados antes da sua utilização e em seguida desmontados após o seu uso para remover a peça fundida do mesmo seguindo-se depois a recuperação do molde, o que, mais provavelmente, incluirá a rectificação das superfícies do molde ou o seu descarte se não for já aceitável para ser utilizado.

A maquinagem de um molde para obter uma forma complexa pode ser muito cara e demorada. Além disso, pode ser muito difícil a remoção de uma peça moldada de um molde de forma complexa (isto é, as peças moldadas com uma forma complexa podem partir-se quando se retiram do molde). Mais ainda, embora haja uma sujestão de que um material refractário poroso pode ser imerso directamente num metal fundido sem a necessidade de um molde, o material refractário teria que ser uma peça inteira porque não se tomam providências para infiltrar um material poroso separado ou solto, sem o uso de um molde contentor (isto é, crê-se geralmente que tipicamente o material em partículas se desintegraria ou se separaria por flutuação, quando colocado num metal fundido) .

Mais ainda, se se desejasse infiltrar um material em partículas ou um pré-molde formado solto, seria necessário tomar precauções para que o metal infiltrante não desloque pelo menos porções do material em partículas ou do pré-molde, dando origem a uma microestrutura não homogénea.

E ' Consequentemente, tem havido uma necessidade há muito sentida de um processo simples e fiável para produzir compósitos com matriz de metal modelados que não dependem da utilização de pressão ou vácuo aplicado (quer aplicado externamente, quer criado internamente) , ou agentes molhantes prejudiciais para criar uma matriz de metal embebida noutro material, tal como um material cerâmico.

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

Descrição dos pedidos de patente americanos dos mesmo proprietário :

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

Um processo novo para a fabricação de um material com matriz de metal é apresentado no pedido de patente americano do mesmo proprietário, Ns 049.171, depositado em 13 de Maio de 1987, em nome de White et al e intitulado

Metal Matrix Composites, agora concedido nos Estados Unidos. De acordo com o processo da invenção de White et al, um compósito com matriz de metal é produzido pela infiltração de uma massa permeável de material de enchimento (por exemplo, uma cerâmica ou um material revestido com cerâmica) com alumínio fundido contando pelo menos cerca de 1 por cento, em peso, de magnésio e de preferência pelo menos cerca de 3 por cento, em peso, de magnésio. A infiltração ocorre espontâneamente sem aplicação de pressão ou vácuo exteriores.

Um suprimento de liga de metal fundido é posto em contacto com a massa de material de enchimento a uma temperatura de o Z pelo menos cerca de 675 C, na presença de um gas compreendido de cerca de 10 a 100 por cento e, de preferência, cerca de 50 por cento de azoto, em volume, sendo o restante do gás,

se houver um gás não oxidante, por exemplo árgon. Nestas condições, a liga de alumínio fundido infiltra-se na massa cerâmica às pressões atmosféricas normais para formar um compósito com matriz de alumínio (ou liga de alumínio) . Quando se tiver infiltrado a quantidade desejada de material de enchimento com a liga de alumínio fundida, baixa-se a temperatura para solidificar a liga, formando assim uma estrutura com matriz de metal sólida embebida no material de enchimento de reforço. Usualmente e de preferência, o suprimento de liga fundida fornecido será suficiente para permitir que a infiltração se processe substancialmente até aos limites da massa de material de enchimento. A quantidade de material de enchimento nos compósitos com matriz de alumínio produzidos de acordo com a invenção de White et al pode ser extraordinariamente alta. A este respeito, podem atingir-se relações volumétricas entre o material de enchimento e a liga maiores que 1:1.

Nas condições do processo na invenção de

White et al atrás mencionada,pode formar-se nitrito de alumínio como uma fase descontínua dispersa por toda matriz de alumínio. A quantidade de nitrito na matriz de alumínio pode variar, dependendo de factores como a temperatura, a composição da liga, a composição do gás e do material de enchimento.Assim, controlando um ou mais desses factores no sistema é possível determinar de antemão certas propriedades do compósito. Para algumas aplicações de utilização final pode no entanto ser desejável que o compósito contenha pouco ou substancialmente nenhum nitrito de alumínio.

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

Um exemplo de dispositivo de barreira adequado para ser utilizado com a formação de compósitos com matriz de metal é descrito no pedido de patente americano do mesmo proprietário e copendente Ns 141642, depositado em 7 de Janeiro de 1988, em nome de Michael K. Aghajanian et al, e intitulado Method os Making Metal Matrix Composites With the use of a Barrier. De acordo com o processo da invenção de Aghajanin et al, coloca-se um dispositivo de barreira (por exemplo, diboreto de titânio em partículas ou um material de grafite, tal como produto de fita de grafite flexível vendida pela Union CarB bide com a designação comercial Grafoil ) num limite de superfície definido do material de enchimento, e a liga de matriz infiltra-se até ao limite definido pelo meio de barreira. 0 meio de barreira é usado para inibir, impedir ou terminar a infiltração da liga fundida, proporcionando assim formas reticulares ou quase reticulares no compósito com matriz de metal resultante. Consequentemente, os corpos compósitos com matriz de metal formados têm uma forma exterior que corresponde substancialmente à forma interior do meio de barreira.

O processo do pedido de patente americano Ns

049171 foi aperfeiçoado pelo pedido de patente americano copendente e do mesmo proprietário Ns 168264, depositado em 15 de

Março de 1988, em nome de Michael K. Aghajanian e Marc S. Newkirk e intitulado Metal Matrix Composites and Techniques for

Making the Same. De acordo com os processos apresentados nesse pedido de patente americano, uma liga de metal da matriz está presente como uma primeira fonte de metal e como um reservatório de liga de metal da matriz que comunica com a primeira fonte de metal fundido devido por exemplo, ao fluxo por gravidade. Em particular, nas condições descritas nesse pedido de patente, a primeira fonte de liga de matriz fundida começa a infiltrar a massa de material de enchimento à pressão atmosférica normal, começando assim a formação de um compósito com matriz de metal. A primeira fonte de liga de metal de matriz fundida é consumida durante a sua infiltração na massa de material de enchimento e, se se desejar, pode ser resposta, de preferência por um meio contínuo, a partir do reservatório de metal de matriz fundida à medida que a infiltração espontânea continua. Quando se tiver infiltrado espontaneamente uma quantidade desejada de material de enchimento permeável pela liga da matriz fundida, baixa-se a temperatura para solidificar a liga, formando assim uma estrutura sólida da matriz de metal que embebe o material de enchimento de reforço. Deve compreender-se que a utilização de um reservatório de metal é simplesmente uma forma de realização da invenção descrita nesse pedido de patente e não é necessário combinar a forma de realização do reservatório com todas as formas de realização alternativas da invenção nele descritas, algumas das quais poderiam também ser convenientes para utilizar em combinação com a presente invenção.

reservatório de metal pode estar presente numa quantidade tal que proporciona uma quantidade suficiente ς

de metal para infiltrar a massa permeável de material de enchimento numa extensão pré-determinada. Em alternativa, um meio de barreira optativo pode contactar a massa permeável de material de enchimento pelo menos de um dos seus lados para definir um limite de superfície.

Além disso, embora o suprimento de liga da matriz fundida fornecida possa ser pelo menos suficiente para permitir que a infiltração espontânea se processe substancial( ' mente até os limites (por exemplo, as barreiras) da massa permeável de material de enchimento, a quantidade de liga presente no reservatório podia exceder essa quantidade suficiente de modo que não só haverá uma quantidade suficiente de liga para a infiltração completa, como também poderia ficar liga de metal fundida em excesso e ser fixada ao corpo compósito com matriz de metal. Assim, quando estiver presente liga fundida em excesso, o corpo resultante será um corpo compósito complexo (por exemplo, um macrocompósito), no qual um corpo cerâmico infiltrado, com uma matriz de metal, estará ligado directamente ao metal em excesso que fica no reservatório.

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

Sumário da Invenção

Um corpo compósito com matriz de metal é pro16 duzido pela infiltração de uma massa permeável de material de enchimento que em determinado instante durante o processamento pode tornar-se auto-suportado (isto é, pode ser modelado para formar um pré-molde). 0 material de enchimento é colocado no interior de uma cavidade que foi formada por um processo particular. Especificamente, numa forma de realização preferida na presente invenção, pode preparar-se um macho volatilizável ou de baixo ponto de fusão (por exemplo, um molde de cera) de modo que pelo menos uma porção do molde de cera tem uma forma correspondente á do corpo compósito com matriz de metal, a formar. 0 molde de cera pode ser revestido, por um processo apropriado, por exemplo, com um material refractário, que pode ser aplicado, por exemplo, por pintura, pulverização, revestimento por imersão, etc.

Uma vez formada uma espessura apropriada de, por exemplo, material cerâmico, em uma superfície do molde de cera, e que o material refractário revestido se torne auto-suportado, pode retirar-se o molde de cera do revestimento, por exemplo por fusão, volátilização, etc. e o revestimento pode ficar com uma cavidade cuja forma corresponde à forma da cera que foi removida do mesmo.

Numa forma de realização, a cavidade formada pode ser revestida por uma técnica apropriada com um material de barreira apropriado, que ajuda a definir a forma final do corpo compósito com matriz de metal a formar. Uma vez convenientemente posicionado o material de barreira, pode então colocar-se um material de enchimento no interior de pelo menos de uma porção da cavidade.

Além disso, um intensificador da infiltração e/ou um percursor do intensificador da infiltração e/ou uma atmosfera de infiltração estão também em comunicaão com o material de enchimento, pelo menos em determinado instante durante o processo, o que permite que o metal da matriz, quando fundir, se infiltre espontaneamente na massa permeável de material de enchimento que, em determinado instante durante o processamento, pode tornar-se auto-suportada.

Numa forma de realização preferida, pode fornecer-se directamente um intensificador da infiltração ao material de enchimento e/ou ao metal da matriz e/ou à atmosfera infiltrante finalemente, independente do fornecedor do percursor do intensificador da infiltração ou do intensificador da infiltração, pelo menos durante a infiltração espontânea, o intensificador da infiltração deve estar situado pelo menos numa porção do material de enchimento.

Deve notar-se que o presente pedido de patente discute principalmente metais da matriz de alumínio que, em determinado instante durante a formação do corpo compósito com matriz de metal, estão em contacto com magnésio, que funciona com percursor do intensificador de infiltração, na presença de azoto, que funciona com atmosfera infiltrante. Assim, o sistema de metal da matriz/percursor do intensificador da infiltração/ atmosfera infiltrante de alumínio/magnésio azoto apresenta infiltração espontânea. Contudo, outros sistemas de metal da matriz /percursor do intensificador da infiltração/atmosfera infiltrante podem comportar-se também de maneira análoga à do sistema de alumínio/magnésio/azoto. Por exemplo, observou-se um comportamento análogo de infiltração espontânea no sistema de alumínio/estrôncio/azoto, no sistema do a1umínio/zinco/oxigénio, no sistema de alumínio/cálcio/azoto. Consequentemente, embora se discuta aqui principalmente o sistema de alumínio/ magnésio/azoto, deve entender-se que outros sistemas de metal da matriz/precursor do intensificador da infi1tração/atmosfera infiltrante podem comportar-se de maneira análoga.

Quando o metal da matriz compreender uma liga de alumínio, pode encher-se uma cavidade moldada com um material de enchimento (por exemplo, partículas de alumínio ou carboneto de silício, tendo o material de enchimento nele misturado),ou tendo estado em determinado instante durante o processo ao magnésio, como percursor do intensificador da infiltração. Além disso, a liga de alumínio e/ou o material de enchimento são expostas em determinado instante durante o processamento e, numa forma de realização preferida durante substancialmente todo o processamento, a uma atmosfera de azoto, como atmosfera de infiltração. Em alternativa, pode obviar-se o requisito, se o material de enchimento for misturado ou estiver, em determinado instante durante o processo, exposto ao nitreto de magnésio, como intensificador da infiltração. Além disso ainda, em determinado instante durante o processamento, o material de enchimento tornar-se-á, pelo menos parcialmente, auto-suportado. Numa forma de realização preferida, o material de enchimento torna-se auto-suportado antes ou substancialmente ao mesmo tempo que com o contacto do metal da matriz com o material de enchimento (por exemplo, o metal da matriz

pode contactar com o material de enchimento primeiro com metal da matriz fundido ou o metal da matriz pode contactar com o material de enchimento primeiro com material sólido e depois fundir, quando aquecido). A extensão ou a velocidade de infiltração espontânea e da formação do compósito com matriz de metal variará com um dado conjunto de condições do processo, incluindo, por exemplo, a concentração de magnésio proporcionada ao sistema (por exemplo, na Ioga de alumínio e/ou no material de enchimento e/ou na atmosfera infiltração), as dimensões e/ou a composição do material de enchimento, a concentração de azoto na atmosfera infiltrante, o tempo permitido para a infiltração e/ou a temperatura a que se verifica a infiltração. A infiltração espontânea tipicamente verifica-se numa extensão suficiente para embeber de maneira substancialmente completa o material de enchimento ou o pré-molde.

Numa forma de realização preferida, uma vez obtida a infiltração, o material cerâmico revestido circundante pode ser removido para expor um corpo compósito com matriz de metal com a forma exacta ou quase exacta.

Def inições:

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

é o constituinte principal.

Gás restante não oxidante, como aqui é usado, significa que qualquer gás presente, além do gás principal que constitui a atmosfera infiltrante, é ou um gás inerte ou um gás redutor substancialmente não reactivo com o metal da matriz nas condições do processo. Qualquer gás oxidante que possa estar presente como impuresa no(s) gás(s) usado(s) deve ser insuficiente para oxidar o metal da matriz em qualquer gás substancial nas condições do processo.

^ou > ^com° aqui é usado, significa qualquer meio adequado que interfere, impede ou interrompe a migração, o movimento ou similar, de metal da matriz fundido para além de um limite de duperfície de uma massa permeável do material de enchimento ou de pré-molde, sendo esse limite de superfície definido pelos meios de barreira. São meios de barreira apropriados qualquer material, composto, elemento, composição ou similar que, nas condições do processo, mantém uma certa integridade e que não é substancialmente volátil (isto é, o material de barreira não se volatiliza até um ponto tal que se torne não funcional como barreira .

Além disso, os meios de barreira apropriados incluem materiais que são substancialmente não molháveis pelo metal da matriz fundido que migra, nas condições do processo utilizadas. Uma barreira deste tipo aparenta ter substancialmente pouca ou nenhuma afinidade para o metal da matriz fundido, e o movimento para além do limite de superfície da mas21 sa de material de enchimento ou do pré-molde é impedido ou '—Z* inibido pelos meios de barreira. A barreira reduz qualquer maquinagem ou rectificação finais que possam ser necessárias e define pelo menos uma porção de superfície de produto compósito com matriz de metal resultante. A barreira pode, em certos casos, ser permeável ou porosa, ou tornada permeável, por exemplo pela abertura de furos ou perfuração de barreira, para permitir que o gás contacte com o metal da matriz funx=~.·.. d ido.

como aqui é usado, refere-se a qualquer porção do corpo original de metal da matriz restante, que não foi consumido durante a formação do corpo compósito com matriz de metal e, tipicamente, se se deixar arrefecer, ficaem contacto pelo menos parcial com o corpo compósito com matriz de metal que foi formado. Deve entender-se que a carcaça pode também incluir em si um segundo metal ou metal estranho.

''Material_de_enchimento , como aqui usado, pretende-se que inclua quer constituintes individuais, quer misturas de constituintes substancialmente não reactivos, com o metal da matriz e/ou com subilidade reduzida no mesmo podendo ser de fase única ou com várias fases. Os materiais de enchimento podem ser proporcionados com uma ampla variedade de formas, tais como, pós, flocos, plaquetas, microesferas, filamentos emaranhados, pérolas, etc e podem ser densos ou porosos .

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

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

Iftensificador_de_infiltrajão, como aqui é usado, significa um material que promove ou auxilia a infiltração espontânea do metal da matriz num material de enchimento ou pré-molde. Um intensificador de infiltração pode ser formado, por exemplo, a partir de uma reacção de um precursor de intensificador de infiltração com uma atmosfera infiltrante para formar (1) uma espécie gasosa e/ou (2) um produto da reacção do precursor de intensificador de infiltração com a atmosfera infiltrante e/ou (3) um produto da reacção do precursor de intensificador de infiltração com o material de enchimento ou pré-molde. Além disso, o intensificador de infiltração pode ser fornecido directamente ao pré-molde (e/ou ao metal da matriz e/ou à atmosfera infiltrante e funciona de uma maneira substancialmente análoga à de um intensificador de infiltração que foi formado como uma reacção entre o precursor de intensificador de infiltração e outras espécies. Finalmente, pelo menos durante a infiltração espntânea, o intensificador da infiltração deve estar localizado em pelo menos uma porção do material de enchimento ou pré-molde para obter a infiltração espontânea.

P re cu r sor __de_in te n^.i fica dor _da_in .fil trarão ou EÊ££ursor_gara__o_intensif icador_de__inf iltra^ão , como aqui é usado, significa um material que, quando usado em combinação com o metal da matriz, o pré-molde e/ou a atmosfera infiltrante, forma um intensificador de infiltração que induz ou auxilia o metal da matriz a infiltrar-se espontaneamente no material de enchimento ou pré-molde. Sem desejar ficar limitado por qualquer teoria ou explicação particular, parece contudo que pode ser necessário que o precursor do intensificador de infiltração possa ser posicionado, localizado ou transportável para um local que permita que o precursor de intensificador de infiltração interaja com a atmosfera infiltrante e/ou o pré-molde ou material de enchimento e/ou metal da matriz. Por exemplo, em certos sistemas de metal da matriz/precursor de intensificador de infi1tração/atmosfera infiltrante é desejável que o precursor de intensificador de infiltração se volatilize na vizinhança da ou, em alguns casos, um pouco acima da, temperatura a que o metal de matriz funde. Essa volatilização pode levar a: (1) uma reacção no precursor de intensificador de com a atmosfera infiltrante para

4

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

Macho amovível ou Repr odução_amoyíye 1 , como aqui é usado, significa um material ou objecto susceptível de ser modelado e manter a sua forma quando revestido com um material susceptivel de formar uma casca refractária e que pode ser removido de uma casca refractária formada, por exemplo por fusão ou volati1ização ou por remoção física como um componente intacto.

Metal da matriz ou Liga de metal da matriz, como aqui são usados, significa o metal que é misturado com um material de enchimento para formar um corpo compósito com matriz de metal. Quando um metal especificado é designado como metal da matriz, deve entender-se que esse metal da matriz inclui esse metal como metal essencialmente puro, um metal como existe no mercado, impurezas e/ou complementos de liga, um composto intermetá1ico ou uma liga em que aquele metal é o constituinte principal ou predominante.

ί

i. £/gr ecur s or_de_in2 teqsificador_da_infiltrajão/atmosfera_infiltrante ou Si.ytema espontâneo, como aqui é usado, refere-se à combinação de materiais que apresente infiltração espontânea num prémolde ou material de enchimento. Deve entender-se que quando aparecer um / entre um metal da matriz exemplificativo, um precursor de intensificador de infiltração e uma atmosfera infiltrante, / é utilizado para designar um sistema ou combinação de materiais que, quando combinados de uma maneira particular, apresentam a infiltração espontânea num pré-molde ou material de enchimento.

Çomgósito_com_matriz_de_nietal. ou MMC , como aqui é usado, significa um material que compreende uma liga ou matriz de metal interligada bi- ou tridimencionalmente, embebeu um pré-molde ou material de enchimento. 0 metal da matriz pode incluir vários elementos de liga para proporcionar propriedades mecânicas e físicas desejadas no compósito resultante.

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

Zê.s o_não_r eact i vo_par a_a 1 o jar_o_me ta l_da_may triy, significa qulaquer vaso que pode alojar metal da matriz fundido nas condições do processo e que não reage com a matriz e/ a atmosfera infiltrante e/ou o precursor do intensificador c

da infiltração de uma maneira que seria significativamente prejudicial ao mecanismo da infiltração.

Pré-mo^de ^ou como aqui é usado, significa uma massa porosa de material de enchimento ou um material de enchimento que é prepara com pelo manos um limite de superfície que define substancialmente um limite para infiltração do metal da matriz, mantendo essa massa uma integridade de forma e uma resistência em verdes suficientes para proporcionar uma fidelidade dimencional antes de ser infiltrada pelo metal da matriz. A massa deve ser suficientemente porosa para se adaptar à infiltração espontânea do metal da matriz no seu interior. Uma pré-molde compreende tipicamente um agragado ou disposição ligados de material de enchimento, homogéneo ou heterogéneo, e pode ser constituido por qualquer material adequado (por exemplo, um material em partículas de metal em pó. fibras, filamentos emaranhados, etc. de cerâmica e/ou metal e qualquer combinação dos mesmos) . Um pré-molde pode exitir individualmente ou como um conjunto.

5ããÊ£Yã.tório , como aqui é usado, significa um corpo separado de metal da matriz posicionado em relação a uma massa de material de enchimento ou pré-molde, de modo que, quando o metal estiver fundido, pode fluir para reabastecer, ou em algusn casos, proporcionar inicialmente e depois reabastecer a porção, segmento ou fonte de metal da matriz que esta em contacto com o material de enchimento ou com o pré-molde.

ç O₃u i 1 h a ou C ogu i .1 h a_£a r a _m o l^d a £ ã o_d e_£r e cisão, como aqui são precisados, significam o corpo refractá27

V \ / rio que é produzido revestindo um macho amovível com um mateial que pode ser feito para ser auto-suportado (por exemplo, por aquecimento), de modo que, quando se retirar o macho, o corpo refractário inclui uma cavidade que corresponde dubstâncialmente à forma original do macho amovível.

iltra5ão_es£ontânea, como aqui é usado, significa a infiltração do metal da matriz na massa permeável de material de enchimento ou pré-molde, que se verifica sem / ” exigir a aplicação de pressão ou vácuo (quer aplicados externamente quer criados internamente).

Breve_des cr i£ão_da s_f.Í2.3£Ê5 ^:

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

A fig. la, várias representações amovíveis para a formação de uma coquilha para moldação de precisão;

A fig. 1, uma árvore amovível para a formação de uma coquilha para moldação de precisão;

A fig. 2, uma coquilha para moldação de precisão segundo a presente invenção;

A fig 3a, a coquilha para moldação de precisão, contendo um material de enchimento adequado, sendo em contacto com um metal da matriz adequado;

A fig. 3b, a coquilha para moldação de- preci28

são e o material de enchimento que é infiltrado espontaneamente ; e \/ Λ

A fig. 4, uma fotografia de um compósito com matriz de metal formado de acordo com o exemplo 1.

DescrÍ2ão_£ormenorizada_da_inyen£ão_e_forgas âe_realiza£ão_£referida

A presente invenção refere-se à formação de um corpo compósito com matriz de metal infiltrando espontaneamente um material de enchimento com um metal da matriz fundido, tendo o material de enchimento sido modelado com uma forma particular. Em particular, um intensificador da infiltração e/ou um precursor do intensificador da infiltração e/ou uma atmosfera infiltrante estão também em comunicação com o material de enchimento, pelo menos em determinado instante durante o processo, o que permite que o metal da matriz, quando funde, se infiltre espontaneamente na massa permeável de material de enchimento que, em determinado instatnte durante o processamento, pode tornar-se auto-suportada. Segundo a presente invenção, em primeiro lugar modela-se um macho de baixo ponto de fusão ou volati1izáve1 ou amovível. Reveste-se depois o macho com um material que pode tornar-se rijo para formar uma casca que contém uma cavidade com uma forma complementar da do macho amovível. 0 macho pode então ser removido da cas_ ca. Uma vez formada a casca, esta pode optativamente ser revestida na sua porção de cavidade interior com um amterial de barreira apropriado, que serve como barreira para a infiltração de metal da matriz. Em seguida, pode colocar-se um mate29

- / (

' j .Ό rial de enchimento, pelo menos parcialmente, dentro da cavidade formada, de modo que, quando o metal da matriz fundido é induzido a infiltrar-se espontaneamente no material de enchimento, produz-se um corpo compósito com matriz de metal.

corpo compósito com matriz de metal produzido tem uma forma substancialmente correspondente à do macho amovível.

Uma coquilha para moldação de precisão para ser usada de acordo com a presente invenção pode ser feita fabricando primeiro uma ou mais reproduções (1) do corpo compósito com matriz de metal desejado, como se ilustra na fig. la. As reproduções (1) podem ser formadas por gesso de Paris revestido por cera, completamente por cera ou outros materiais adequados que possam ser removidos, por exemplo por fusão ou volatilização de uma coquilha para moldação de precisão formada depois. Se a forma da reprodução o permitir, ou se a coquilha for formada como coquilha com duas peças ou com várias peças, a reprodução pode ser removida fisicamente abandonada ou reutilizada. Além disso, podem fixar-se uma ou mais reproduções amovíveis (1) num tronco (2) para formar uma árvore (3), como se ilustra na fig. lb. 0 tronco (2) pode também ser formado de gesso revestido com cera, completamente de cera ou de outros materiais adequadamente amovíveis. De preferência, fixa-se também uma porção de taça (4) no tronco (2). Como se compreenderá da discussão seguinte, a porção de taça (4) é formada de um material amovível adequado, tal como alumina, aço inoxidável ou semelhante.

Pode então mergulhar-se repetida e sucessivamente, por exemplo, numa pasta fluida cerâmica e pulvilhar-se com um pó cerâmico para formar uma coquilha refractária para moldação de precisão (5) em torno da árvore, na fig. 2. A espessura e a composição da coquilha para moldação de precisão (5) assim formada não são críticas, embora a coquilha deva ser sufucientemente robusta para resistir às fases ulteriores do processo de moldação. A coquilha (5) pode também ser formada por pintura, pulverização ou qualquer outro processo conveniente, conforme as dimensões e a configuração da coquilha e do ' material de revestimento empregado. Uma vez formada a coquilha (5), retira-se a árvore (3) por exemplo por fusão da cera, deixando assim uma cavidade(6) no interior da coquilha (5) correspondente à forma ou formas dos machos amovíveis.

Como se discute com mais pormenos mais adiante, a coquilha para moldação de precisão (5) é, de preferência impermeável ao metal da matriz fundido, são particularmente vantajosas as coquilhas que também são permeáveis a uma atmosfera infiltrante, mas não são necessárias para a prática da presente invenção. Verificou-se que são materiais refractários adequados para a formação de coquilhas a alumina, a sílica e o carboneto de silício, podendo no entanto usar-se outros materiais refractários também. Uma coquilha para moldação de precisão deve ser robusta, mas facilmente amavível quando se desejar, sem exercer tensões excessíveis nos corpos compósitos com matriz de metal que nelas se pretende moldar. Por exemplo, verificou-se que matérias semelhantes ao vidro, tais como borossilicatos de alumínio, embora sejam vantajosamente impermeáveis ao metal da matriz, podem criar tenções nos corpos compositos durante a sua formação por causa, por exemplo, da dis31 /-paridade entre os seus coeficientes de dilatação térmica.

Além disso, as coquilhas semelhantes ao vidro podem ser relativamente difíceis de remover dos compósitos.

A cavidade (6) pode então ser preenchida com um material de enchimento adequado, que pode incluir um precursor do intensificador da infiltração e/ou um intensificador da infiltração, e aquecido na presença de uma atmosfera infiltrante. É preferível que o material de enchimento preencha apenas as porções da cavidade correspondentes às porções da cavidade correspondentes às reproduções (1), caso em que a porção da cavidade (6) que corresponde ao tronco (2) fica não preenchida.

Dispõe-se depois metal da matriz fundido adequadamente em contacto com o material de enchimento (7), por exemplo vazando o metal da matriz (8) na coquilha (5) através da porção de taça (4) , como se ilustra na fig. 3a. A coquilha para moldação de precisão (5) pode ser convenientemente disposta num vazo refractàrio (9), contendo optativamente um material de um leito (11), que é continuamente purificado com atmosfera infiltrante. Em condições adequadas, discutidas mais adiante, o metal da matriz (8) infiltra-se espontaneamente no material de enchimento (7), como se ilustra na fig. 3b, avançando as frentes de infiltração (10). Compreender-se-à que o material de enchimento pode ter formado pré-moldes rígidos durante o processo, mas essa formação é desnecessária quando a coquilha para moldações de precisão (5) for suficientemente forte para manter a forma desejada para os corpos compósitos

com matriz de metal acabados, não podendo o material de enchimento perder a forma desejada por qualquer outro meio. Além disso, em vez de vazar metal da matrzi fundido na coquilha, pode colocar-se em contacto com o material de enchimento metal da matriz fundido que é depois liquefeito. Além disso, à medida que a frente de infiltração avança, o metal da matriz pode ser mudado através de um reservatório ou da introdução de um metal da matriz adicional para assim alterar as propriedades de diferentes porções do corpo compósito com matriz de metal resultante.

Completada a infiltração espontânea, a coquilha (5) é arrefecida e removida por meios físicos ou meios químicos que reajem com a coquilha mas não com o compósito. Os corpos compósitos com matriz de metal correspondente às reproduções (1) podem depois ser preparados de qualquer carcaça restante de metal da matriz. Verificou-se que pelo menos para certos metais da matriz, é desejável um arrefecimento rápido para manter uma microestrutura fina nos corpos compósitos. Tal arrefecimento pode ser obtido, por exemplo, removendo a coquilha enquando ainda quente e embebendo-a num leito de areia à temperatura ambiente.

Compreender-se-á que a moldação em coquilhas é um processo barato para a produção de compósitos com matriz de metal moldados. Podem produzir-se vários corpos compósitos simultaneamente, podendo a podendo a própria coquilha para moldação de precisão ser produzida rápidamente a partir de materiais baratos. Os corpos compósitos produzidos deste modo também podem apresentar boas capacidades de obtenção de formas precisas (isto é, podem requerer apenas um acabamento mínimo).

Para alguns materiais empregados para a coquilha para a moldação de precisão, verificou-se que o metal da matriz pode continuar a infiltrar-se para além do material de enchimento para o interior da própria coquilha. Por exemplo, as coquilhas para a moldação de precisão porosas feitas de uma pasta de alumina ou sílica e um pó de carboneto de silício podem ser infiltradas pelo metal da matriz, quando o material de anchimento e/ou o metal da matriz incluir magnésio. Afim de impedir essa infiltração excessiva, pode formar-se um meio de barreira pelo menos numa porção das superfícies da cavidade na coquilha. A barreira, que é impermeável pelo menos para o metal da matriz, impede a infiltração espontânea de metal da matriz para além do material de enchimento, permitindo assim a produção de compósitos que exijam apenas um acabamento mínimo de forma. Descrevem-se mais adiante barreiras adequadas.

Afim de efectuar a infiltração espontânea da matriz no material de enchimento ou no pré-molde, deve proporcionar-se um intensificador de infiltração ao sistema espontâneo. 0 intensificador da infiltração poderia ser formado a partir de um precursor de intensificador da infiltração que poderia ser proporcionado (1) no metal da matriz; e/ou (2) no material de enchimento ou (3) a partir da atmosfera infiltrante e/ou (4) a partir da coquilha para moldação de precisão; e/ou (5) a partir de uma fonte externa para o sistema espontâneo.

Além disso, em vez de fornecer um precursor de intensificador de infiltração, pode proporcionar-se um intensificador de infiltração directamente no material de enchimento ou no pré34 molde e/ou ao metal da matriz e/ou à atmosfera infiltrante e/ou à coquilha para moldação de precisão. Finalmente, pelo menos durante a infiltração espontânea, o intensificador de infiltração deve estar localizado em pelo menos uma porção de material de enchimento ou pré-molde .

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

Um exemplo de um sistema de metal da matriz/precursor de intensificador de infi1tração/atmosfera infiltrante é o sistema de alumínio/magnésio/azoto. Especificamente, um me tal da matriz de alumínio pode estar contido dentro de um vaso refractário adequado que, nas condições do processo, não reage com o metal da matriz de alumínio quando o alumínio fundir.

Um material de enchimento contendo magnésio ou sendo exposto ao magnésio e, pelo menos em determinado instante durante o processamento, a atmosfera de azoto pode então ser posto em contacto com o metal da matriz de alumínio fundido. 0 metal da matriz infiltrar-se-á então espontaneamente no material /r \£ de enchimento ou no pré-molde. Além disso, em vez de fornecer um precursor de intensificador de infiltração, pode fornecer-se um intensificador da infiltração directamente ao pré-molde e/ou ao metal da matriz e/ou à atmosfera infiltrante. Finalmente, pelo menos durante a infiltração espontânea, o intensificador de infiltração deve estar localizado em pelo menos uma porção do material de enchimento ou pré-molde.

Nas condições usadas no processo segundo a presente invenção, no caso de um sistema de infiltração espontânea de alumínio/magnésio/azoto o material de enchimento ou pré-molde devem ser suficientemente permeáveis para permitir que o gás contendo azoto penetre ou atravesse os poros do material de enchimento ou pré-molde num dado instante durante o processo e/ou entre o contacto com o metal da matriz fundido. Além disso, o material de enchimento ou o pré-molde premeáveis podem adaptarse à infiltração do metal da matriz fundido, fazendo assim com que o material de enchimento impregnado com azoto seja infiltrada espontaneamente com metal da matriz fundido para formar um corpo compósito com matriz de metal e/ou fazer com que o azoto reaja com um precursor do intensificador da infiltração para formar o intensificador da infiltração no material de enchimento ou pré-molde, dando assim, origem à infiltração espontânea.

A extensão ou a velocidade da infiltração e a formação do compósito com matriz de metal variarão com um dado conjunto de condições de processo, incluído o teor de magnésio de liga de alumínio, o teor de magnésio do pré-molde ou material de enchimento, a coquilha para moldação de precisão, o teor de nitreto

de magnésio na liga de alumínio, no material de enchimento ou pré-molde ou na coquilha de moldação de precisão, a presença de elementos de liga adicionais (por exemplo, silício, ferro, cobre, manganês, crómio, zinco e semelhantes), as dimensões médias (por exemplo, o diâmetro das partículas) do material de enchimento, a condição da superfície e o tipo de material de enchimento, a concentração de azoto da atmosfera infiltrante, o tempo permitido para a infiltração e a temperatura a que a infiltração se verifica. Por exemplo, para que a infiltração de metal da matriz de alumínio fundido se verifique espontâneamente o alumínio pode formar uma liga com pelo menos cerca de 1 por cento, em peso, e de preferência pelo menos cerca de 3 por cento, em peso, de magnésio (que funciona como precursor do intensificador da iniciação) com base no peso de liga.

Elementos de liga auxiliares, como atrás se mencionou, também podem estar incluídos no metal da matriz para nela obter propriedades específicas pré-determinadas. Adicionalmente, os elementos de liga auxiliares podem influenciar a quantidade mínima de magnésio requerida no metal de alumínio da matriz para conduzir à infiltração espontânea do material de enchimento ou pré-molde. A perda de magnésio a partir do sistema espontâneo devido, por exemplo, à volatilização, não ocorrerá em grau tal que não haja nenhum magnésio para formar intensificador da infiltração. Assim, é desejável utilizar uma quantidade suficiente de elementos de liga iniciais para assegurar que a infiltração espontânea não será afectada de maneira adversa pela volatilização. Além disso ainda, a presença de magnésio no material de enchimento ou pré-molde e no metal da

7 matriz e na coquilha para moldação de precisão ou quaisquer dois ou mais entre o metal da matriz, o material de enchimento ou pré-molde e a coquilha para moldação de precisão pode ter como consequência uma redução na quantidade de magnésio necessária para se obter a infiltração espontânea (examinado com mais pormenor mais adiante) .

A percentagem, em volume, de azoto na atmosfera de azoto também afecta as taxas de formação do corpo composito com matriz de metal. Especificamente, se estiverem presentes menos de cerca de 10 por cento, em volume, de azoto na atmosfera, verificar-se-à uma infiltração espontânea muito lenta ou reduzida. Verificou-se que é preferível que estejam presentes pelo menos cerca de 50 por cento, em volume, de azoto na atmosfera, de modo que resultam, por exemplo, menores tempos de infiltração devido a uma velocidade de infiltração mui to maior.

A atmosfera infiltrante deve ser fornecida a um material· de enchimento contendo um precursor do intensificador da infiltração por qualquer meio adequado, tais como infiltração através do material de enchimento antes do seu contacto com o metal da matriz fundido, difusão através da coquilha para moldação de precisão e de qualquer meio de barreira de metal da matriz para o material de enchimento, dissolução ou borbulhamento através do metal da matriz fundido ou outros processos análogos. Além disso,podem proporcionar-se canais ou orifícios em qualquer meio de barreira e na coquilha para moldação de precisão para dirigir a atmosfera infiltrante para o interior do sistema. Além disso, a atmosfera infiltrante pode resultar de uma decomposição e/ou recombinação de um ou mais materiais.

teor mínimo de magnésio requerido para que o metal da matriz fundido se infiltre num material de enchimento ou pré-molde depende de um# ou mais variáveis, tais como a temperatura de processamento, o tempo, a presença de elementos de liga auxiliares, tais como silício ou zinco, a natureza do material de enchimento, a localização do magnésio em um ou mais dos componentes do sistema espontâneo, o teor de azoto da atmosfera de azoto flui. Podem usar-se temperaturas mais baixas ou temperaturas de aquecimento menores para se obter uma infiltração completa quando se aumentar o teor de magnésio da liga e/ou do pré-molde. Também, para um dado teor de magnésio, a adição de certos elementos de liga auxiliares, tais como o zinco, permite o uso de temperaturas mais baixas. Por exemplo, um teor de magnésio no metal da matriz no extremo inferior da faixa operável , por exemplo, de cerca de 1 a 3 por cento, em peso, pode ser usado em conjunto com pelo menos uma das seguintes condições: uma temperatura de processamento acima da mínima, uma elevada concentração de azoto,ou um dos mais elementos de liga. Se não se adicionar nenhum magnésio ao material de enchimento ou ao pré-molde, são preferidas as ligas contendo cerca de 3 a 5 por cento, em peso, de magnésio, com base na sua utilidade geral numa ampla variedade de condições do processo, preferindo-se pelo menos cerca de 5 por cento quando se utilizam temperaturas mais baixas e tempos mais curtos. Podem usar-se teores de magnésio acima de cerca de 10 por cento, em peso, da liga de alumínio para moderar as condições de temperatura requeridas para a infiltração. 0 teor de magnésio pode ser reduzido quando usado em conjunto com um elemento de liga auxiliar, mas eses elementos apenas desempenham uma função auxiliar e são usados juntamente com pelo menos a quantidade mínima de magnésio atrás especificada. Por exemplo, não havia substancialmente qualquer infiltração de alumínio nomeadamente puro formando liga com apenas 10 por cento de silício a lOOOec num leito de 39 Crystolon (carboneto de silício puro 1 90%, da Morton Co.) com granulometria de 500 messh. Mas, na presença de magnésio, verificou-se que o silício promove o processo de infiltração. Como outro exemplo, a quantidade de megnésio varia se ele for fornecido exclusivamente ao pré-molde ou material de enchimento. Verificou-se que a infiltração espontânea ocorrerá com uma percentagem, em peso, menor de magnésio fornecido ao sistema espontâneo, quando pelo menos uma parte da quantidade de total de magnésio fornecido for colocada no pré-molde ou material de enchimento. Pode ser desejável proporcionar uma quantidade menor de magnésio afim de impedir a formação de compostos intermetálicos indesejáveis no corpo compósito com matriz de metal. No caso de um pré-molde de carboneto de silício, descobriu-se que, quando se põe o pré-molde em contacto com um metal da matriz de alumínio, contendo o prémolde pelo menos cerca de 1%, em peso, de magnésio e estando na presença de uma atmosfera de azoto substancialmente puro, se infiltra espontaneamente metal da matriz no pré-molde. No caso de um pré-molde de alumina, a quantidade de magnésio necessária para se obter infiltração espontânea aceitável é li40 geiramente maior. Especificamente, verificou-se que, quando um pré-molde de alumina é posto em contacto com um metal da matriz de alumínio similar, aproximadamente à mesma temperatura que a alumina que se infiltrou num pré-molde de carboneto de silício, e na presença da mesma atmosfera de azoto, podem ser necessários pelo menos cerca de 3%, em peso, de magnésio para se obter infiltração espontânea semelhante à obtida no pré-molde de carboneto de silício que se acabou de examinar.

Faz-se também notar que é possível fornecer ao sistema espontâneo precursor de intensificador de infiltração e/ou intensificador de infiltração numa superfície da liga e/ou numa superfície do pré-molde ou material de enchimento e/ou no interior do pré-molde ou material de enchimento antes da infiltração do metal da matriz no material de enchimento ou pré-molde (isto é, pode não ser necessário que o intensificador de infiltração ou o precursor de intensificador de infiltração fornecido forme uma liga com o metal da matriz mas pelo contrário, simplesmente fornecido ao sistema espontâneo). Se se tiver aplicado o magnésio a uma superfície do metal da matriz, pode ser preferido que a referida superfície seja a superfície que está mais perto ou, de preferência, em contacto com a massa permeável de material de enchimento ou vice-versa, ou esse magnésio poderia ser misturado a pelo menos uma porção do pré-molde ou material de enchimento. Além disso, é ainda possível que se utilize uma certa combinação da aplicação na superfície de formação da liga e da colocação do magnésio em pelo menos uma porção do pré-molde. Essa combinação da aplicação de intensificador (es) de infiltração e/ou precursor (es) de intensificador de infiltração poderia ter como resultado uma diminuição da percentagem total, em peso, de magnésio necessário para promover a infiltração do metal alumínio da matriz no pré-molde, bem como a obtenção de temperaturas mais baixas a que se verifique a infiltração. Além disso, poderia também minizar-se a quantidade de compostos intermetá1icos indesejáveis formados devido à presença de magnésio.

uso de um ou mais elementos de liga auxiliares e da concentração de azoto no gás circundante também afecta a extenção de nitretação do metal da matriz a uma dada temperatura. Por exemplo, podem usar-se elementos de liga auxiliares, como o zinco ou o ferro incluídos na liga, ou colocados numa superfície da liga, para baixar a temperatura de infiltração e diminuir assim a quantidade da formação de nitreto, ao passo que pode usar-se o aumento da concentração de azoto para promover a formação de nitreto.

A concentração de magnésio na liga e/ou colocado numa superfície da liga e/ou combinado no material de enchimento ou pré-molde tamém tende a afectar a extensão de infiltração a uma dada temperatura. Consequentemente, em alguns casos em que pouco ou nenhum megnésio é posto directamente em contacto com o pré-molde ou material de enchimento, pode ser preferido incluir na liga pelo menos cerca de 3 por cento, em peso, de magnésio. Teores de liga inferiores a essa quantidade, tais como 1 por cento, em peso, de magnésio, podem requerer temperaturas do processo mais elevadas ou um elemento de liga auxiliar para a infiltração. A temperatura necessária para efectuar o processo de infiltração espontânea segundo a presente invenção pode ser mais baixa: (1) quando se aumentar apenas o teor de magnésio da liga, por exemplo para pelo menos cerca de 5 por cento, em peso,; e/ou (2) quando se misturarem componentes de liga com a massa permeável do material de enchimento ou pré-molde; e/ou (3) quando estiver presente na liga de alumínio outro elemento, tal como zinco, ou ferro. A temperatura também pode variar com diferentes materiais de enchimento. Em geral, verificar-se-á a infiltração espontânea progressiva a uma temperatura do processo de pelo menos cerca de 675sc e, de preferência, a uma temperatura do processo de pelo menos cerca de 7502C-8002C. Temperaturas geralmente acima de 1200QC parece não beneficiarem o processo, tendo-se verificado ser particularmente útil uma gama de temperaturas de cerca de 6752C a cerca de 1200sc. Contudo, como regra geral, a temperatura de infiltração espontânea é uma temperatura superior ao ponto de fusão do metal da matriz, mas abaixo da temperatura de volati 1ização do metal da matriz.

Além disso, a temperatura de infiltração espontânea deve ser inferior ao ponto de fusão do material de enchimento. Além disso, ainda à medida que se aumenta a temperatura, aumenta a tendência para formar um produto de reacção entre o metal da matriz e a atmosfera infiltrante (por exemplo, no caso do metal da matriz de alumínio e uma atmosfera infiltrante de azoto, pode formar-se nitreto de alumínio). Um tal produto da reacção

pode ser desejável ou indesejável conforme a aplicação pretendida do corpo compósito com matriz de metal. Adicionalmente, utiliza-se tipicamente aquecimento por resistência eléctrica para obter as temperaturas de infiltração. Contudo, qualquer meio de aquecimento que possa fazer com que o metal da matriz funda e não afecte adversamente a infiltração espontânea ó aceitável para utilizar na presente invenção.

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

O processo para a modelação de um compósito com matriz de metal é aplicável a uma ampla variedade de materiais de enchimento, dependendo a escolha do material de enchimento de factores tais como a liga da matriz, as condições do processo, a reactividade da liga da matriz fundida com o material de enchimento e as propriedades procuradas para o produto compósito final, por exemplo, quando o alumínio for o metal da matriz, os materiais de enchimento adequados incluem (a) óxidos, por exemplo alumina; (b) carbonetos, por exemplo carboneto de silício; (c) boretos, por exemplo docarboneto de alumínio e (d) nitretos, por exemplo nitreto de alumínio. Se houver uma tendência para o material de enchimento reagir com o metal da matriz de alumínio fundido, isso poderia ser compensado minimizando o tempo de infiltração e a temperatura ou proporcionando um revestimento não reactivo no material de enchimento. 0 material de enchimento pode compreender um substrato, tal como carbono ou outro material não cerâmico, levando um revestimento cerâmico para proteger o substrato do ataque ou da degradação. Os revestimentos cerâmicos adequados incluem óxidos, carbonetos e nitretos. As cerâmicas preferidas para utilizar no presente processo incluem a alumina e o carboneto de silício sob a forma de partículas, plaquetas, filamentos emaranhados e fibras. As fibras podem ser descontínuas (sob a forma cortada) ou sob a forma de filamento contínuo, tais como estopas de multifilamentos. Além disso, a massa cerâmica ou o pré-molde podem ser homogéneos ou heterogéneos.

Descobriu-se também que certos materiais de enchimento apresentam uma melhor infiltração em relação aos materiais de enchimento tendo uma composição química semelhante. Por exemplo, corpos de alumina triturada feitos pelo processo descrito na patente americana N2 4.713.360, intitulada Novel

Ceramic Materials and Methods of Making Same publicada em 15 de Dezembro de 1987, em nome de Marc S. Newkirk et al, apresentam propriedades de infiltração desejáveis em relação aos produtos de alumina comercialmente disponíveis. Além disso, os /

t corpos de alumina triturada feitos pelo processo descrito no pedido de patente copendente, do mesmo proprietário Ns 819397, intitulado Composite Ceramic Articles and Methods of Making Same em nome de Mack S. Newkirk et al, também apresentam propriedades de infiltração desejáveis em relação aos produtos de alumina comercialmente disponíveis. Os objectos do pedido de patente publicado e do pedido de patente copendente são aqui expressamente incorporados por referencia. Especificamente, descobriu-se que a infiltração completa de uma massa permeável de material cerâmico pode ocorrer a temperaturas de infiltração mais baixas e/ou em tempos de infiltração menores utilizando um corpo triturado ou reduzido a partículas produzido pelo processo do pedidos de patente e da patente americanos atrás mencionados.

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

O processo de formação de compósitos com matriz de metal segundo a presente invenção, por não ser dependente do uso de pressão para forçar ou comprimir metal da matriz fundido para o interior de um pré-molde ou uma massa de material de enchimento, permite a produção de compósitos com matriz de metal substancialmente uniforme com uma elevada percentagem, em volume, de material de enchimento e uma baixa porosidade. Podem conseguir-se maiores percentagens, em volume, de material de enchimento utilizando uma massa inicial de material de enchimento com menor porosidade. Maiores percentagens, em volume, podem também ser obtidas, se a massa de material de enchimento for compacta ou tornada mais densa de outro modo, desde que a massa não seja convertida nem numa massa compacta com poros fechados, nem numa estrutura completamente densa, que impediria a infiltração pela liga f undida .

Foi observado que, para a infiltração de alumínio e a formação de uma matriz em torno de um material de enchimento cerâmico, o molhamento do material de enchimento cerâmico pelo metal da matriz de alumínio pode ser uma parte importante do mecanismo de infiltração. Além disso, a temperaturas de processamento baixas, verifica-se uma nitretação despresível ou mínima do metal, resultando daí uma fase descontínua mínima de nitreto de alumínio disperso na matriz de metal. Contudo, quando nos aproximamos do extremo superior da

7 ( ~ faixa de temperatura, torna-se mais provável a nitretação do metal. Pode assim controlar-se a quantidade da fase de nitreto na matriz de metal fazendo variar a temperatura de processamento à qual se verifica a infiltração. A temperatura de processamento específica à qual se torna mais proporcionada a formação de nitreto varia também com factores tais como a liga de alumínio da matriz usada e a sua quantidade relativamente ao volume de material de enchimento ou do pré-molde, o material de enchimento a infiltrar e a concentração de azoto da atmosfera infiltrante. Por exemplo, crê-se que a extensão da formação de nitreto de alumínio a uma dada temperatura aumenta quando diminui a capacidade de liga para molhar o material de enchimento e quando aumenta a concentração de azoto da atmos f era.

É pois possível, determinar a constituição da matriz de metal durante a formação do compósito para conferir certas características ao produto resultante. Para um dado sistema, podem escolher-se as condições do processo para controlar a formação de nitreto. Um produto compósito contendo uma fase de nitreto de alumínio apresentará certas propriedades que podem ser favoráveis para ou melhorar a eficácia do produto. Além disso, a gama de temperaturas para a infiltração espontânea com uma liga de alumínio pode variar com o material cerâmico usado. No caso de alumina como material de enchimento, a temperatura para a infiltração não deve de preferência exceder cerca de lOOOsc, se se desejar que a ductilidade da matriz não seja reduzida pela formação significativa de nitreto. Contudo, podem usar-se temperaturas superiores a

lOOOsc se se desejar produzir um compósito com uma matriz menos dúctil e mais rígida. Para infiltrar carboneto de silício, podem usar-se temperaturas mais elevadas, de cerca de 1200ec, visto a liga de alumínio se nitrifica em menor grau, relativamente ao uso de alumina como material de enchimento, quando se usar o carboneto de silício como material de enchimento.

Além disso, é possível usar um reservatório de metal da matriz para assegurar a infiltração completa do material de enchimento e/ou fornecer um segundo metal, que tem uma composição diferente da da primeira fonte de metal da matriz. Especificamente, em alguns casos pode ser desejável utilizar um metal da matriz no reservatório com uma composição diferente da da primeira fonte de metal da matriz. Por exemplo, se se usar uma liga de alumínio como primeira fonte de metal da matriz, pode então, usar-se substancialmente qualquer outro metal ou liga de metal que fundiu à temperatura de processamento como metal do reservatório. Os metais fundidos são frequentemente muito miscíveis uns com os outros, donde resultaria a mistura do metal do reservatório com a primeira fonte de metal da matriz, desde que desse um tempo apropriado para que se verificasse a mistura. Assim, utilizando um metal do reservatório com composição diferente da da primeira fonte de metal da matriz, é possível pré-determinar as propriedades da matriz de metal para satisfazer os vários requisitos operacionais e, desse modo, pré-determinar as propriedades do compósito com matriz de metal.

Pode utilizar-se também um meio de barreira em

9

Γ combinação com a presente invenção. Especificamente, o meio de barreira a utilizar com a presente invenção pode ser qualquer meio adequado que interfira, iniba, impeça ou interrompa a migração, o movimento ou similar da liga de matriz fundida (por exemplo, uma liga de alumínio) para além do limite de superfície definido do material de enchimento. Os meios de barreira apropriados podem ser quaisquer material, composto, elemento, composição ou similar que, nas condições do processo segundo a presente invenção, mantém uma certa integridade, não é volátil e, de preferência, é permeável à atmosfera infiltrante usada com o processo, bem como possa localmente inibir, interromper, interferir com, impedir ou similar, a infiltração contínua ou qualquer outra espécie de movimento para além do limite de superfície definido do material de enchimento .

Os meios de barreira apropriados incluem materiais que são substancialmente não molháveis pela liga de metal de matriz fundida que migra, nas condições do processo usadas. Uma barreira desse tipo parece mostrar pouca ou nenhuma afinidade para a liga de matriz fundida, impedindo-se ou inibindo-se o movimento para além do limite de superfície definido do material de enchimento ou pré-molde por meio da barreira .

A barreira auxilia a formação de corpos com a forma final requerida do produto compósito com matriz de metal. Como atrás se referiu, a barreira de preferencia pode ser permeável ou porosa, para permitir que o gás da atmosfera infiltrante contacte com a liga da matriz fundida. Em altert

Γ'' nativa, podem proporcionar-se orifícios ou meios análogos no meio de barreira para facilitar o fluxo da atmosfera infiltrante .

Barreiras adequadas particularmente utilizáveis para as ligas da matriz de alumínio são as que contêm carbono especialmente a forma alotrópica cristalina de carbono conhecida como grafite. A grafite é essencialmente não molhável pela liga de alumínio fundida, nas condições de processo descritas. Uma grafite particularmente preferida é um produto de fi£ ta de grafite que é vendido sob a marca comercial Grafoil , registada pela Union Carbide. Esta fita de grafite apresenta características de vedação que impedem a migração de liga de alimínio fundido para além do limite de superfície definido do material de enchimento. Esta fita de grafite é também resistnte ao calor, quimicamente inerte, flexível, compatível, moldável e elástica. Contudo, o meio de barreira de grafite pode ser empregado como uma pasta ou suspensão ou mesmo uma película de tinta em torno de e no limite do material de enchimento ou prémolde e nessa forma pode ser aplicado facilmente na cavidade R , na coquilha para moldação de precsão. Grafoil e preferida para formas compósitas simples porque está sob a forma de uma folha de grafite flexível, podendo assim ser facilmente aplicada em superfícies planas.

Outro ou outros meios de barreira para ligas da matriz de metal de alumínio em azoto são os boretos de um metal de transição (por exemplo, diboreto de titânio (TiB ), que são em geral não molháveis pela liga de metal de alumínio fun51 k_ » * dido em certas condições do processo empregadas usando esse material. Com uma barreira deste tipo, a temperatura do processo não deve exceder cerca de 875°C, pois, de outro modo, o material de barreira torna-se menos eficaz, verifiçando-se de facto, com o aumento da temperatura a infiltração na barreira. Os boretos de um metal de transição encontram-se tipicamente numa forma de partículas (1-30 micrómetros).

A formação de um boreto metálico pode ser aplicada como uma pasta ou suspensão na cavidade da coquilha para moldação de precisão, definindo assim os limites da massa permeável de material de enchimento cerâmico.

Além disso, uma barreira adequada para os sistemas espontâneos que incluem magnésio é o óxido de magnésio, que pode ser formado na superfície da cavidade da coquilha aquecendo uma mistura contendo magnésio que enche a cavidade na presença de azoto, removendo depois aquela mistura na presença de, por exemplo, ar. 0 nitreto de magnésio formado na superfície da cavidade da coquilha é assim convertido em óxido de magnésio, que adere à superfície da cavidade. Como, às temperaturas de processamento empregadas na presente invenção, o magnésio é volátil, pode infiltrar-se vapor de magnésio numa coquilha para moldação de precisão porosa, levando à infiltração espontânea de metal da matriz na coquilha.

A presença de óxido de magnésio aparentemente esgota o suprimento de precursor do intensificador da infiltração de magnésio e/ou do intensificador da infiltração de nitreto de magnésio localizados na superfície da cavidade da coquilha, afectando assim adversamente a infiltração espontânea de metal da matriz na região esgotada.

Além disso, o material que provoca o esgotamento, tal como o óxido de magnésio ou qualquer dos outros materiais apropriados para provocar o esgotamento adiante descritos, presentes na superfície da cavidade da coquilha, apenas temporariamente podem impedir a infiltração da coquilha pelo metal da matriz durante um intervalo de tempo limitado, por exemplo, pela quantidade de material causador do esgotamento disponível na superfície e pela quantidade de intensificador da infiltração e/ou do precursor do intensificador da infiltração e/ou da atmosfera infiltrante a esgotar antes da solidificação do metal da matriz.

Compreender-se-á que uma coquilha para moldação de precisão que não permite a infiltração de um intensif icador da infiltração e/ou de um precursor do intensificador da infiltração e/ou da atmosfera infiltrante ou, mesmo que seja assim infiltrada, não seja infiltrada espontaneamente pelo metal da matriz não exigirá a inclusão de um meio de barreira na superfície da cavidade da coquilha.

De facto, apenas os sistemas espontâneos que contêm magnésio volátil, e, desses sistemas, apenas os que contêm mais magnésio que o necessário para a infiltração espontânea completa do material de enchimento, quando usados com coquilhas para moldação de precisão porosas, parecem beneficiar com essas barreiras. Podem assim usar-se coquilhas para moldação de precisão impermeáveis, semelhantes a vidro, vantajosamente com sistemas espontâneos contendo magnésio, sujeitos às outras características dessas coquilhas que foram descritas noutro lugar. Compreender-se-á ainda que os sistemas espontâneos que incluem constituintes de volatibilidade reduzida às temperaturas do processo também não exigirão essas barreiras .

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

Além disso, materiais em películas finamen! te triturados, podem funcionar como barreira, desde que a infiltração do material em partículas se verifique com uma velocidade menor que a taxa de infiltração do material de enchimento.

Assim, o meio de barreira pode ser aplicado por qualquer meio adequado, tal como pela formação de camadas no limite de superfície definido com o meio de barreira. Uma tal camada de meio de barreira pode ser aplicada por pintura, imersão, serigrafia, evaporação ou por outro meio de barreira sob a forma de líquido, suspensão ou pasta,

ou por deposição católica de um meio de barreira vaporizável ou simplesmente pela deposição de uma camada de um meio de barreira sólido em partículas ou pela aplicação de uma fina folha ou película sólida de meio de barreira sobre o limite de superfície definido. Com o meio de barreira aplicado, a infiltração espontânea termina substancialmente ao atingir-se o limite de superfície definido e ao entrar em contacto com o meio de barreira.

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

EXEMPLO 1

Formou-se um macho amovível constituído por uma reprodução de gesso de Paris revestido com cera, de uma roda dentada de 7,6 centímetros de diâmetro e 6,4 centímetros de espessura. A cera com gesso pode obter-se na Bondez Co. e o revestimento de cera era de CSH Max-E-Wax, comercialmente disponível na Casting Supply Company, New York, NY.

Mergulhou-se o macho amovível numa pasta fluida ou suspensão que compreende percentagens, em peso, substancialmente iguais de 20% de alumina coloidal , fornecida pela Remet Co., e pó de carboneto de silício de 1000 grit, fornecido pela Norton Co., e vendido com a designação comercial 37.

Crystolon. Podem também usar-se outras graduações em grits de

carboneto de silício fino. Polvilhou-se depois o macho amovível revestido com a pasta fluida com pó de carboneto de silício seco, de 90 grits (37 - Crystolon) , que aderiu ao revestimento de pasta fluida. Repetiram-se as fases sequenciais de polvilhação e imersão três vezes , após o que se mudou o pó de polvilhação para carboneto de silício de 24 grits (37 Cristolon). Repetiram-se outras três vezes as fases sequenciais de polvilhação e imersão. Secou-se a coquilha para moldação de precisão em desenvolvimento durante 1/2 hora, a cerca de 65°C, após cada sequencia das fases de polvilhação e imersão.

Após a última sequencia de polvilhação/imersão cozeu-se a coquilha para moldação de precisão num forno com ar, a uma temperatura de cerca de 900°C, durante um intervalo do tempo de 1 hora. Essa cozedura volatilizou o revestimento de cera no macho amovível e enfraqueceu o gesso de Paris, após o arrefecimento até à temperatura ambiente, o gesso foi facilmente liquefeito e removido da coquilha para moldação de precisão por lavagem. Secou-se depois a coquilha completamente no ar durante cerca de 12 horas, a uma temperatura de cerc a de 7 5 °C .

Formou-se uma barreira na superfície da cavidade na coquilha para moldação de precisão enchendo primeiramente a cavidade com uma mistura de pó de carboneto de silício de 1000 grits (38 Crystolon) da Norton Co.) e cerca de 10%, em peso, de pó de magnésio de 50 mesh (Aesar, disponível de Johnson Mathey Co.) . Colocou-se depois a coquilha para moldação de precisão num recipiente de aço inoxidável 316,

que foi coberta por uma fina folha de cobre (disponível da Atlantic Engineering Co.). Introduziu-se um tubo de aço inoxidável através da folha de cobre e purificou-se o interior do recipiente por gás azoto substancialmente puro, com um caudal de cerca de 0,25 1itros/minuto . Aqueceu-se depois o recipiente, purificado continuamente num forno aquecido por resistência eléctrica, pré-aquecido de cerca o o de 600 C a 750 C, durante um intervalo de tempo de cerca de 1 hora e manteve-se a cerca de 750°C durante aproximadamente 1 hora. Retiraram-se depois o recipiente e o seu conteúdo do forno e lavou-se a cavidade com água enquanto ainda quente. Formou-se assim um revestimento preto na superfície da cavidade. Algumas pequenas porções do revestimento formaram fendas na coquilha para moldação de precisão quando se retirou a mistura de enchimento.

Depois de secar completamente, a cavidade revestida com a barreira da coquilha para moldação de precisão foi preenchida com um material de enchimento compreendendo uma mistura de um pó de alumina (C75-RG, vendido pela Alcan Chemical Products, Co.) e cerca de 5 por cento, em peso, de um pó de magnésio de 325 mesh (Aesar, vendido pela Johnson Mathey Co.) para um peso total de cerca de 337 gramas. Uma compactação manual reduziu o volume do material de enchimento aproximadamente a metade, com o efeito de produzir percentagens, em volume, de material de enchimento maiores e corpos compósitos estruturados mais uniformemente.

Colocou-se depois a coquilha para moldaçao de precisão compactada num recipiente de aço inoxidável 316

7 e colocou-se um lingote de 722 g de liga de alumínio 520 normalizada no recipiente em contacto com o material de enchimento. Cobriu-se o recipiente com uma folha de cobre fina e purificou-se continuamente o interior do recipiente com gás azoto puro com um caudal de cerca de 2 litros/minuto.

Aqueceu-se o recepiente num forno aquecido com resistência eléctrica desde a temperatura ambiente até o cerca de 800 C, durante um intervalo de tempo de cerca de o

horas e manteve-se a cerca de 800 C durante cerca de 0,5 hora, tendo-se no final desse tempo a liga de alumínio liquefeito e infiltrado espontaneamente no material de enchimento. Reduziu-se depois a temperatura do forno até aproximadamente a temperatura ambiente, durante um tempo de cerca de 2 horas de modo que a roda dentada de compósito com matriz de metal solidificou, e retirou-se a coquilha para moldação de precisão do forno. A coquilha foi suportada num leito de areia à temperatura ambiente e foi retirada da roda dentada de compósito com matriz de metal com golpes de martelo.

A roda dentada de compósito com matriz de metal resultante mostrou uma boa fidelidade de forma, como se ilustra na fig. 4, exigindo um acabamento de superfície mínimo, excepto nas áreas adjacentes às áreas da superfície da cavidade das quais o revestimento de barreira saltou.

Verificou-se através dessas áreas alguma infiltração do metal da matriz de alumínio na coquilha de precisão.

EXEMPL0_2

Formuu-se uma coquilha para moldação de precisão, pela mesma sequência de polvolhações/imersões do exemplo 1, em torno de um macho amovível constituido por uma taça de espuma de termoplástico. Após a remoção do macho em forma de taça da coquilha para moldação de precisão o

pela cozedura da coquilha a cerca de 850 C, durante cerca de 1 hora, encheu-se a cavidade na coquilha com uma solução aquosa saturada de perclorato de magnésio (vendido pela Morton Thiokol, Co.). Deixou,se que a solução impregnasse a superfície da cavidade da coquilha durante cerca de 2 minutos, após o que se retirou a solução da cavidade da coquilha. Secou-se a coquilha para moldação de precisão no ar, num forno a uma temperatura de cerca de 100°C. Elevou-se depois a temperatura para cerca de 750°C, durante um tempo de cerca de 2 horas. Cozeu-se a coquilha a uma temperatura de cerca de 750°C, durante cerca de 1 hora e baixou-se a temperatura durante cerca de 2 horas .

Preencheu-se depois a cavidade da coquilha para moldação de precisão aproximadamente até metade, com o material de enchimento, como no exemplo 1, e submeteu-se às mesmas fases do processo subsequentes que no exemplo 1.

Após a remoção da taça de compósito com matriz de metal, o exame revelou uma fidelidade de forma, com uma necessidade mínima de acabamento de superfície. Não se verificou qualquer infiltração estranha da coquilha para moldação de precisão pelo metal da matriz de alumínio.

9 ( .exemplo_2

Utilizou-se um macho amovível constituído por uma taça de espuma de termoplástico para formar uma coquilha para moldação de precisão. 0 macho foi primeiramente imerso numa pasta fluida ou suspensão com percentagens iguais de carbonato de cálcio puro (vendido pela Standard Ceramic Supply Co . ) e 20 por cento, em peso, de sílica coloidal (vendida na Nyacol Co.). Polvilhou-se depois o macho revestido com suspensão com carboneto de silício, como no Exemplo 1 e realizaram-se as fases subsequentes da sequência de pulvilhação/imersão como no Exemplo 1. As fases ulteriores de processo que levam à formação da coquilha efectuaram-se como no Exemplo 1, com a excepção de que não se realizou qualquer formação de barreira separada, por aquecimento e remoção de uma mistura de carbonato de si1ício/magnésio. Em geral refere-se à sílica para a formação de coquilhas para moldação de precisão porque tais coquilhas tendem a ser mais fortes e mais robustas.

A alumina é preferível para coquilhas que são submetidas á formação de uma barreira na superfície da cavidade, como no Exemplo 1.

Encheu-se depois a coquilha com um material de enchimento constituído por uma mistura como no Exemplo 2 e o processamento subsequente continuou como no Exemplo 2, com uma eficácia igualmente boa na obtenção de uma forma perfeita, apresentada pelo compósito com matriz de metal.

EXEMPLO_4

Formou-se uma coquilha para moldação de precisão, como no Exemplo 3, com a excepção de que antes da cozedura, se pulverizou a superfície da cavidade na coquilha com uma tinta de alumínio (vendida pela Sherwin-Williams Co.

com a designação de Hi-Enamel Aluminum Color Spray Paint) , a uma temperatura elevada. A tinta compreende uma pasta de alumínio N2 2 num suporte de silicato. Cozeu-se depois a coquilha para moldação de precisão pintada durante cerca de horas, mas no restante analogamente à cozedura no Exemplo

3. O processamento subsequente realizou-se como no Exemplo 3.

A eficácia de obtenção de uma forma perfeita, isto é, a fidelidade ao macho amovível e a não necessidade de acabamento de superfície do corpo compósito com matriz de metal resultante foram mesmo melhores que nos corpos formados nos Exemplos 1-3.

Claims (41)

1. REIVINDICAÇÕES

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

   modular um invólucro de revestimento com uma cavidade no seu interior;

   proporcionar um material de enchimento substancialmente nao reactivo na cavidade; e infiltrar espontaneamente pelo menos uma porção dc material de enchimento com metal da matriz fundido.
2. 2. - Processo de acordo com. a reivindicação 1, caracterizado pele facto de com.preender ainda a fase de pro62 porcionar uma atmosfera infiltrante em comunicação com o material de enchimento e o metal da matriz durante pelo menos uma parte do período de infiltração.

   reivindicação 2, ainda a fase de forinfiltração e/ou um da matriz, ao material
3. 3.- Processo de acordo com e caracterizado pelo facto de compreender necer um precursor de intensificador da intensificador da infiltração ao metal de enchimento e à atmosfera infiltrante
4. 4.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de fornecer um precursor de intensificador da infiltração e/ou um intensificador da infiltração ao metal da matriz e/ou ao material de enchimento.
5. 5. - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração e/ou o intensificador da infiltração ser fornecido por uma fonte externa.
6. 6. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de estabelecer o contacto de pelo menos uma porção do material de enchimento com um precursor de intensificador da infiltração e/ou um intensificador da infiltração, durante pelo menos uma parte do período da infiltração.
7. 7.- Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o intensificador da infiltração ser formado pela reacção de um precursor de intensificador da infiltração e pelo menos uma espécie escolhida no grupo formado pela atmosfera infiltrante, o material de enchimento e o metal da matriz.
8. 8. - Processo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo facto de, durante a infiltração, o precursor de intensificador da infiltração se volatilizar.
9. 9. - Processo de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pele facto de o precursor de intensificador da infiltração volatilizado reagir para formar um; produto da reacção pelo menos numa porção do material de enchimento.
10. 10, - Processo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo facto de o produto da reacção ser pelo menos parcialmente redutível pelo metal da matriz fundido.
11. 11, - Processo de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo facto de o produto da reacção revestir pelo menos uma porção do material de enchimento.
12. 12.- Processo de acordo com e reivindicação 1, caracterizado pele facto de o material de enchimento compreender um nré-moIde.
13. 13.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de definir um limite de superfície do material de enchimento com uma barreira, infiltrando-se o metal da matriz espontaneamente até à barreira.
14. 14·- Processo de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo facto de a barreira compreender um marerial escolhido no grupo constituído pelo carbono, e grafite e o diboreto da titânio.
15. 15·- Processo de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo facto de a barreira ser substancialmente não molhável pelo metal da matriz.
16. 16.- Processo de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo facto de a barreira compreender pelo menos um material que permite a comunicação entre uma atmosfera infiltrante e o metal da matriz, e/ou 0 material de enchimento e/ou um intensificador da infiltração e/ou um precursor de intensificador da infiltração.
17. 17. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o material de enchimento compreender pelo menos um material escolhido no grupo formado por pós, flocos, plaquetas, microesferas, filamentos, emaranhados, pérolas, fibras, partículas, mantos de fibras, fibras cortadas, esferas, grânulos, túbulos e tecidos refractários.
18. 18. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o material de enchimento ter uma solubilidade limitada no metal da matriz fundido.
19. 19, - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o material de enchimento compreender pelo menos um material cerâmico.
20. 20, - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o metal da matriz compreender alumínio, o precursor de intensificador da infiltração compreender pelo menos um material escolhido no grupo formado pelo magnésio, o estrôncio e o cálcio e a atmosfera infiltrante comDreender azoto.
21. 21.- Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o metal da matriz compreender alumínio, o precursor de intensificador da infiltração compreender zinco e a atmosfera infiltrante compreender oxigénio.
22. 22.- Processo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo facto de o intensificador da infiltração e/ou o precursor de intensificador da infiltração serem proporcionados num limite entre o material de enchimento e o metal da matriz.
23. 23·- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração formar uma liga com o metal da matriz.
24. 24, - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado peio facto de o metal da matriz compreender alumínio e pelo menos um elemento de liga escolhido no grupo formado pelo silício, o ferro, o cobre, o manganês, o crómio, o zinco, o cãlcio, o magnésio e o estrôncio.
25. 25. - Processo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração e/ou o intensificador de infiltração serem proporcionados quer no metal da matriz quer no material de enchimen67 to.
26. 26.- Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração e/ou o intensificador da infiltração serem proporcionados em mais de um entre o metal da matriz, o material de enchimento e a atmosfera infiltrante.
27. 27·- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de a temperatura, durante a infiltração espontânea, ser superior ao ponto de fusão do metal da matriz, mas inferior à temperatura de volatilização do metal da matri2 e ao ponto de fusão do material de enchimento .
28. 28,- Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo facto de a atmosfera infiltrante compreender uma atmosfera escolhida no grupo formado pelo oxigénio e o azoto.
29. 29·- Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de 0 precursor de intensificador da infiltração compreender um material escolhido no grupo formado pelo magnésio, 0 estrôncio e 0 cálcio.
30. 30,- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o metal da matriz compreender alumínio e o material de enchimento compreender um material escolhido no grupo formado pelos óxidos, os carbonetos, os boretos e os nitretos.
31. 31.- Processo de acordo com as reivindicações 1 ou 3, caracterizado pelo facto de o invólucro de revestimento ser formado revestindo um macho amovível com um material refractãrio, tornando o material refractário auto-suportado e removendo o macho amovível.
32. 32.- Processo de acordo caracterizado pelo facto de o macho por um molde de cera.

    com a reivindicação 31, amovível ser constituído
33. 33·- Processo de acordo caracterizado pelo facto de o macho com a reivindicação 31, amovível ser reutilizável.
34. 34.- Processo caracterizado pelo facto invólucro de revestimento lucro de revestimento.

    de acordo com a reivindicação 31, de o macho amovível ser retirado do desmontando reversivelmente o invó
35. 35·- Processo de acordo com a reivindicação 31, caracterizado pelo facto de o material refractário compreender pelo menos um entre alumina, silica e carboneto de silício .
36. 36.- Processo de acordo com a reivindicação 31, caracterizado pelo facto de o macho amovível ser revestido por pintura e/ou pulverização e/ou imersão.
37. 37. - Processo de acordo com a reivindicação 31, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de revestir a cavidade com uma barreira para inibir a infiltração espontânea de metal da matriz fundido.
38. 38. - Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo facto de a atmosfera infiltrante comunicar com o material de enchimento e/ou o metal da matriz através do invólucro de revestimento.
39. 39.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de compreender ainda as fases de arrefecer o invólucro de revestimento e o material de enchimento infiltrado espontaneamente e de remover o invólucro de revestimento do material de enchimento infiltrado espontaneamente .
40. 40.- Processo de acordo com as reivindicações 1 ou

    3, caracterizado pelo facto de compreender ainda as fases de colocar o metal da matriz sólido em contacto com o material de enchimento na cavidade e fundir o metal da matriz sólido para formar o referido metal da matriz fundido.
41. 41.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de compreender ainda as fases de proporcionar pelo menos um segundo metal da matriz e infiltrar espontaneamente pelo menos uma porção do material de enchimento com o segundo metal da matriz fundido.