PT85356B

PT85356B - Processo para a producao de materiais abrasivos ceramicos e materiais produzidos por esse processo

Info

Publication number: PT85356B
Application number: PT85356A
Authority: PT
Inventors: Marc Stevens Newkirk
Original assignee: Lanxide Technology Co Ltd
Priority date: 1986-08-07
Filing date: 1987-07-20
Publication date: 1990-06-29
Also published as: BR8702963A; PH25439A; KR880002623A; NO872548L; JPS6343990A; FI91271C; YU46759B; PL155305B1; PT85356A; DK326787D0; US4867758A; IL82568A0; DE3780886T2; MX165367B; FI872663A0; PL267167A1; EP0259238B1; NO872548D0; ATE79105T1; CA1294789C

Description

LANXIDE TECHNOLOGY COMPANY, LP.

PROCESSO PARA A PRODUÇÃO DE MATERIAIS ABRASIVOS CERÂMICOS

E MATERIAIS PRODUZIDOS POR ESSE PROCESSO.

A presente invenção refere-se a processos para produção de materiais abrasivos, formados como o produto da reacção de oxidação de um metal original e um oxidante na fase de vapor e triturados para produzir grãos de compósitos cerâmicos ou cerâmicos abrasivos. A presente invenção também se refere aos materiais produzidos pelo referido processo.

Nos últimos anos, tem havido um interesse crescente pelo avanço tecnológico dos materiais abrasivos e pela produção de materiais abrasivos especializados e de melhor qualidade. A presente invenção tem por objecto proporcionar um material abrasivo novo e aperfeiçoado, caracterizado pela baixa friabilidade, preparado por trituração de um corpo ou placa de cerâmica ou de um produto compósito cerâmico para obter partículas com as dimensões da areia fina.

Segundo a presente invenção, é proporcionado um processo para a produção de um material abrasivo, caracterizado por um grão abrasivo sob a forma triturada de um material cerâmico policristalino constituído essencialmente pelo produto da reacção de oxidação de um precursor metálico original com um oxidante na fase de vapor e, optativamente, um ou mais constituintes metálicos tais como constituintes não oxidados do metal original. Quando se desejar, pode formar-se um produto compósito cerâmico, compreendendo o produto

da reacção cerâmico policristalino e um ou mais materiais de enchimento, adicionados, por exemplo, para aumentar a eficácia abrasiva ou para reduzir os custos de produção, conforme se descreve com mais pormenor mais adiante.

Geralmente, no processo para a produção de um material cerâmico abrasivo segundo a presente invenção, aquece-se um precursor do metal original na presença de um oxidante na fase de vapor a uma temperatura superior ao seu ponto de fusão, mas inferior ao ponto de fusão do produto da reacção de oxidação, para formar um corpo de metal original fundido. 0 metal original fundido reage com o oxidante na fase de vapor para formar um produto da reacção de oxidação, o qual é mantido pelo menos parcialmente em contacto com, e estende-se entre, o corpo do metal original fundido e o oxidante na fase de vapor. Nesta gama de temperaturas, é transportado metal básico fundido através do produto da reacção de oxidação anteriormente formado, no sentido do oxidante na fase de vapor. Quando o metal original fundido contacta com o oxidante na fase de vapor na interface entre o oxidante na fase de vapor e o produto da reacção de oxidação anteriormente formado, é oxidado pelo oxidante na fase de vapor e desse modo desenvol. ve-se ou forma uma camada ou corpo progressivamente mais espessa de produto da reacção de oxidação. 0 processo prossegue durante um tempo suficiente para produzir um corpo cerâmico. Quando se desejar, dependendo do uso final do abrasivo, o processo da reacção de oxidação é conduzido durante um tempo suficiente para substancialmente consumir o metal original, desse modo minimizando a presença, de metal interligado no corpo cerâmico. Este corpo cerâmico é triturado até obter a j

*- 3 ~ granulometria desejada, poy exemplo, por moedura por impacto, moedura por rolos, trituração rotativa ou outras técnicas con vencionais, dependendo da aplicação final do material abrasivo, sendo o material cerâmico triturado resultante recolhido. 0 material cerâmico triturado recolhido compreende grãos abra sivos constituídos essencialmente por produto da reacção de oxidação e, optativamente, constituintes metálicos tais como os constituintes não oxidados do metal original.

Numa forma de realização preferida da presente invenção, um compósito cerâmico é formado pela colocação de uma massa ou agregado permeável de um material de enchimento, que pode ser pré-moldado sob a forma de um corpo verde, adjacente a ou em contacto com o precursor do metal original, de modo que o produto da reacção de oxidação do metal original em desenvolvimento se infiltra e impregna pelo menos uma parte do material de enchimento. 0 metal original, é aquecido, como atrás se descreve, continuando a reacção de oxidação do metal original e do oxidante na fase de vapor durante um tempo suficiente para que o produto da reacção de oxidação se desenvolva através de ou se infiltre em pelo menos uma parte do material de enchimento, produzindo assim um corpo compósito apresentando uma matriz cerâmica do produto da reacção de oxidação impregnando o material de enchimento, contendo essa matriz também optativamente um ou mais constituintes metálicos. Este corpo compósito cerâmico é triturado para obter as dimensões das partículas desejadas por meios convencionais, como atrás se discutiu e o material triturado resultante é recolhido. 0 material recolhido compreende grãos abrasivos de micro-compósitos constituídos essencialmente pelo produto

J J

da reacção de oxidação do metal orginal com o oxidante na fase de vapor, o material de enchimento e, optativamente, um ou mais constituintes metálicos.

Depois de o corpo cerâmico ou o compósito cerâmico ter sido inicialmente formado como atrás se descreveu, deixa -se arrefecer e, em seguida, é triturado ou muído para propor cionar um grão abrasivo. A finura do grão dependerá do uso final do produto e portanto os meios de trituração são escolhidos com base nas dimensões das partículas desejadas e na composição do corpo cerâmico. 0 processo e os meios para a trituração e o dimensionamento são conhecidos na técnica e em si não fazem parte da presente invenção. Pode ser desejável primeiro triturar o corpo cerâmico em grandes pedaços de cerca de 6,35^m«n (1/4) a 12,7 mm (l/2)i, com um triturador de maxilas ou um moinho de martelos, e em seguida, em partículas mais finas, de cerca de 8 a cerca de 100 mesh, ou ainda mais finas, por moedura por choques. A areia é tipicamen te peneirada para obter fracções de grãos com dimensões desie jadas.

grão abrasivo resultante é caracterizado pela dureza e baixa friabilidade ou alta durabilidade. Um grão abrasivo preferido formado pelo processo segundo a presente invenção é caracterizado por incluir um micro-compósito compreendendo o produto da reacção de oxidação infimamente liga do com o material de enchimento como a forma triturada do corpo cerâmico desenvolvido. Desse modo, moendo ou triturando o corpo compósito cerâmico desenvolvido, as partículas abrasivas resultantes contêm quer a matriz cerâmica, quer os constituintes do material de enchimento como materiais inte<ν gralmente ligados, não obstante a substancial redução das dimensões.

material abrasivo granular segundo a presente invenção pode ser usado em qualquer de um número de aplicações de abrasivos. Por exemplo, o material abrasivo pode ser usado em aplicações de abrasivos soltos, tais como polimento, moedura ou limpeza por jacto de areia. Quando for desejado, o material abrasivo pode ser usado em produtos abrasivos revestidos ou em produtos abrasivos ligados. Nestes últimos, o grão abrasivo é ligado com um ligante adequado, por exemplo, resina, vidro, metal ou outra cerâmica, e moldado por exemplo em rodas de rectificar. Nos primeiros, o grão abrasivo é combinado com um adesivo adequado e aplicado como revestimento sobre ou numa camada de apoio ou substrato, por exemplo de celulose feltrada, tecido ou cartão. 0 material abrasivo segundo a presente invenção pode ser o único abrasivo final no produto abrasivo, ou pode ser combinado com outros materiais abrasivos ou não-abrasivos para modificar as propriedades ou reduzir os custos.

Prepararam-se vários materiais abrasivos segundo a presente invenção, os quais foram ensaiados relativamente à sua friabilidade em comparação com vários materiais abrasivos produzidos convencionalmente. 0 ensaio de friabilidade empregado com cada um dos materiais abrasivos implicou uma técnica de moedura com um moinho de bolas convencional. Passaram -se por um crivo de precisão dez gramas do material abrasivo particular a ensaiar, para obter uma granulometria especificada e colocaram-se num vaso de aço (Abbe Co., dimensões Mijit) com sete esferas de aço temperado de 25,4 mm (1)

- 6 (200 g, Ábbe Co.). Fechou-se o vaso de aço e colocou-se num aparelho giratório e rodou-se durante uma hora a 92 rotações por minuto. 0 material resultante foi novamente crivado com o mesmo crivo, e recolheu-se e pesou-se o material que não passou através do crivo. Quantificou-se a eficácia dos materiais abrasivos no ensaio de friabilidade com um índice de friabilidade. Estes resultados estão listados no Quadro I apresentado mais adiante. 0 índice de friabilidade é a percentagem do material abrasivo que sobreviveu à operação no moinho de bolas (isto é, o peso do material abrasivo que ficou no topo do crivo quando o material foi peneirado após a moedura no moinho de bolas (em gramas), dividido pelo peso da amostra inicial (10 gramas), vezes 100). Quanto maior for o índice de friabilidade, menos friável é o material.

Ensaiaram-se nove materiais, incluído três materiais fabricados convencionalmente, alumina fundida (38 Alundum da Norton Co., granulometria de46 mesh)., carboneto de silício (37 Crystolon, da Norton Co., granulometria de 14 mesh) um material de alumina-aluminato de magnésio produzido como sol-gel (Cubitron da 3M ÇO.,granulometria de 20 mesh e granulometria de 40 mesh ambos ensaiados) e seis materiais fabricados segundo a presente invenção e, mais particularmente, como adiante se descreve (designados por materiais abrasivos A a F).

material abrasivo A foi fabricado colocando vários lingotes de liga de alumínio 380.I (da Belmont metais), apresentando uma composição nominalmente identificada, em peso, de 8-8,5$ de âi, 2-3$ de Zn e 0,1$ de ®g como contaminantes activos (como se descreve em pormenor mais adiante) e 3,5$ de Cu, bem como Fe, Mn e Ni; mas 0 teor actual de Mg era * - 7 às vezes mais alto na gama de 0,17-0,18%) num leito de partículas de alumina (EI Alundum, da Norton, granulometria de 90 mesh), que estava contido num vaso refractário, de modo que uma superfície de cada lingote ficou directamente exposta ao ar atmosférico. Colocou-se este conjunto num forno e aqueceu-se durante cinco horas a 1000°C. Nestas condições, verificou -se o desenvolvimento do corpo cerâmico para cima a partir da superfície exposta do metal para o interior do espaço de ar; não se verificou qualquer desenvolvimento para o interior das partículas de EI Alundum que envolviam as outras superfícies do metal, A temperatura do forno foi mantida a 1000 C durante 24 horas e em seguida arrefeceu-se durante cinco horas até à temperatura ambiente. Retirou-se o conjunto do forno e recolheram-se e trituraram-se entre duas placas de aço os corpos cerâmicos resultantes. Recolheu-se o material triturado e cri vou-se para seleccionar a fracção de granulometria 46 mesh.

material abrasivo B foi fabricado colocando vários lingotes de liga de alumínio 6061 (apresentando uma composi. ção nominal, em peso, de 0,6% de Si, l,O%de Tág e 0,25% de Cu e Cr) num leito das mesmas partículas de alumina de 90 mesh como anteriormente, contido num vaSo refractário com uma superfície de cada lingote exposta ao ar Aplicou-se uma éàmada fina de material contaminante de dióxido de silício ás superfícies expostas do metal. Colocou-se este conjunto num forno e aqueceu-se durante seis horas a 1325°C. Nestas condições, verificou-se o desenvolvimento de cerâmica também exclusivamente no ar e não no material do leito. A temperatura do forno foi mantida a 1325°C durante aproximadamente 160 horas, consumindo desse modo substancialmente todo o metal alumínio não oxidado proveniente do interior dos corpos cerâmicos for

- 8 mados. 0 material cerâmico resultante foi triturado como anteriormente e crivado para selecionar a fração de granulometria de 12 mesh.

material abrasivo ΰ foi fabricado mergulhando com pletamente vários lingotes de uma liga de alumínio contendo 10%, em peso, de Si, e 3%, em peso, de Mg num leito de partículas de alumina (3θ Alundum da Norton Co., granulometria 220 mesh) que estava contido num vaso refráctario. Colocou-se este conjunto num forno e aqueceu-se durante seis horas a 1250°C. Neste caso, o desenvolvimento ocorreu a partir das superfícies do metal para o interior do material do leito circundante, incorporando as partículas de Alundum 38 nos corpos compósitos cerâmicos. A temperatura do forno foi mantida a 125O°C durante 120 horas e arrefeceu-se até à temperatura ambiente durante seis horas. Retirou-se o conjunto do forno e recolheram-se os corpos cerâmicos compósitos resultantes compreendendo o produto da reacção de oxidação impregnando as partículas do material de enchimento, os quais foram depois triturados pela mesma técnica de trituração anteriormen te empregada. Recolheu-se o material compósito triturado e crivou-se para obter a granulometria de 12 mesh.

material abrasivo D foi fabricado mergulhando vários lingotes da mesma liga empregada para fabricar o material C num leito de material de enchimento de alumina tabular (da Alcoa Co., 60 mesh) que estava contido num vaso refractário. Colocou-se este conjunto num forno e aqueceu-se durante um período de seis horas a 125O°C, onde o desenvolvimento do produto da reacção ocorreu para o interior das partículas de material de enchimento que -circundam o metal. Manteve-se o

- 9 forno a 125O°C durante 144 horas e arrefeceu-se de novo até à temperatura ambiente durante um período de seis horas. Triturou-se 0 corpo compósito resultante, compreendendo 0 produto da reacção de oxidação de alumina impregnando 0 material de enchimento alumina tabular, como no caso anterior e crivou se 0 material para òbter a granulometria de 12 mesh.

material abrasivo E foi fabricado mergulhando vá, rios lingotes de liga de alumínio 380.1, conforme 0 empregado para fabricar o material A, num leito de material de enchimen to de alumina-aluminato de magnésio produzido com sol-gel (Cubitron do 3M Co., 80 mesh) que estava contido num vaso refractário. Colocou-se o conjunto num forno e aqueceu-se duran te cinco horas a 1000°C. A temperatura do forno foi mantida a 1000°C durante quatro horas e arrefeceu-se até à temperatura ambiente durante cinco horas. Recolheram-se e trituraram-se como anteriormente os corpos compósitos cerâmicos resultantes, compreendendo o produto da reacção de oxidação de alu mina impregnando 0 sol-gel do material de enchimento. 0 material resultante foi crivado para obter a granulometria de 12 mesh.

material abrasivo F foi fabricado aquecendo separadamente um leito de partículas de carboneto de silício (Crystolon 37 da Norton Co., 220 mesh) e aproximadamente lOOg da liga 38O.I anteriormente usada, a 1000°C. Deitou-se depois a liga de alumínio fundida sobre o leito de material de enchi mento de carboneto de silício, e colocou-se outra camada do mesmo material de enchimento de carboneto de silício no topo do metal fundido. Manteve-se este conjunto a 1000°C durante 48 horas e retirou-se depois do forno. Recolheu-se 0 produto compósito cerâmico resultante, compreendendo um produto da > - 10 reacção de oxidação de alumina impregnando o material de enchimento de carboneto de silício. Triturou-se como anteriormente o compósito cerâmico e crivou-se para obter a granulome tria de 12 mesh.

Submeteram-se estes materiais aos ensaios de friabilidade atrás descritos e os resultados estão listados no Quadro I dado adiante. Conforme é evidente a partir do quadro, cinco dos seis materiais fabricados segundo a presente invenção mostram ser menos friáveis, nas condições do ensaio descritas, do que os materiais produzidos convencionalmente que foram também ensaiados. Embora o material A produzido segundo a presente invenção tenha mostrado apresentar uma friabilidade mais baixa que a dos materiais abrasivos produzidos convencionalmente ensaiados, este resultado ilustra uma característica desejada da presente invenção, nomeadamente que estes materiais podem ser produzidos com uma ampla gama de valores de friabilidade que pode ser útil, para satisfazer as necessidades de aplicações diferentes de abrasivos.

QUADRO A

Material Abrasivo.	G-ranulornetria (mesh.)	índice de Friabi·
			lidade
Alumina (38 Alundum, de Norton Co.)		46	6,1
Carboneto de Silício (Crystolon 37 de Carborundum Co.)		14	9,1
Sol-gel de Aluminato alumina-magnésio (Cubitron de 3M Co.)		20	13,1
Sol-gel de alumina-aluminato de magnésio (Cubitron, de 3M Co.)		40	18,5
Material Abrasivo A		46	2,5
Material Abrasivo B		12	38,3
Material Abrasivo C		12	25,5
Material Abrasivo D		12	29,2
Material Abrasivo E		12	40,4
Material Abrasivo F		12	44,8
Tal como são usados	i nesta memória	. descritiva e nas
reivindicações anexas	, os termos seguintes	têm os significa-
dos seguintes:
Cerâmico não deve	ser indevidamente considerado
como sendo limitado a	um corpo cerâmico no	sentido clássico,
isto é, no sentido em	que èle	é constituído	inteiramente por
materiais não metálicos e inorgânicos, mas	sim o termo refere-

-se a um corpo que seja predomihantemente cerâmico relativa12

mente quer à composição quer ás propriedades dominantes, ainda que o corpo possa conter proporções mínimas ou substan ciais de um ou mais constituintes metálicos derivados do metal original produzidos a partir do oxidante ou quantidades reduzidas de um contaminante mais tipicamente dentro de uma faixa entre cerca de 1 e 40%, em volume, mas podendo incluir ainda mais metal.

Produto da reacção de oxidação significa geralmen te um ou mais metais, em qualquer estado de oxidação, no qual um metal forneceu electrões ou compartilhou electrões com outro elemento, outro composto ou combinação dos mesmos. Por conseguinte, produto da reacção de oxidação segundo esta definição, inclui o produto da reacção de um ou mais metais com um oxidante, tais como os descritos neste pedido de paten te.

Oxidante significa um ou ms,is aceitadores de elec. troes ou compartilhadores de electrões apropriados e é um gás (vapor) ou um constituinte de um gás nas condições de processo.

Metal original significa o metal, por exemplo o alumínio, que é o precursor do produto da reacção de oxidação oxidante policristalino e inclui esse metal como um metal relativamente puro, um metal existente no comércio, com impurezas e/ou constituintes de liga em que esse precursor metálico seja o principal constituinte; e quando se indica um metal específico como metal original, por exemplo o alumínio, o metal identificado deve ser considerado tendo em mente esta definição, a menos que o contexto indique o contrário.

Produto compósito

po ou um produto heterogéneos constituídos por dois ou mais materiais diferentes que estão intimamente combinados para obter as propriedades desejadas do produto compósito. Por exemplo, dois materiais diferentes podem estar intimamente combinados pela impregnação de um deles numa matriz do outro. Uma estrutura compósita cerâmica compreende tipicamente uma matriz de cerâmica que encerra um ou mais tipos diversos de materiais de enchimento tais como materiais em partículas, fibras, barras ou similares.

Segundo a presente invenção, proporciona-se um mate, rial abrasivo como a forma triturada de um corpo compósito cerâmico ou de cerâmica formado pela oxidação de um precursor metálico. Na formação do corpo, o metal original, que é o precursor do produto da reacção de oxidação, é provido numa forma apropriada, por exemplo, na forma de um lingote, de uma pequena barra,de uma placa, etc., e posicionado num leito de material inerte e/ou de um material de enchimento contido num cadinho ou outro recipiente refractário. Um material iner te é um material que não é substancialmente penetrável ao desenvolvimento do produto da reacção de oxidação nas condições de processo. Este leito inerte está em contraste com um leito permeável de material de enchimento para uso na produção de uma estrutura compósita, através do qual o produto da reacção de oxidação se desenvolve para impregnar o material de enchimento no interior da matriz de cerâmica resultante. 0 material inerte, que pode estar na forma de partículas, serve para manter o corpo de metal original fundido para oxidação e desenvolvimento para o interior da atmosfera circundan

- 14 te ou para o interior de uma carga permeável.

conjunto resultante compreendendo o metal original, o leito de material inerte e/ou de material de enchimento, colocado em um cadinho ou noutro recipiente apropriado, é aquecido a uma temperatura acima do ponto de fusão do metal original, mas abaixo do ponto de fusão do produto da reacção de oxidação. Contudo deve compreender-se que a gama de temperaturas operável ou preferida não pode estender-se a todo o intervalo de temperaturas entre os pontos de fusão do metal original e do produto da reacção de oxidação. Por conseguinte, a esta temperatura ou nesta gama de temperaturas, o metal original funde para formar um corpo ou porção de metal original fundido e, em contacto com o oxidante, o metal original reage para formar uma camada de produto da reacção de oxidação. Pela exposição continuada ao meio oxidante, o metal fundido restante é progressivamente arrastado através do produto da reacção de oxidação na direcção do oxidante, de modo a provocar o desenvolvimento contínuo do material policristalino na ou próximo da interface cerâmica-oxidante para formar um produto cerâmico ou compósito cerâmico, produto da reacção de oxidação policristalino desen volve-se com uma velocidade substancialmente constante (isto é, com uma velocidade substancialmente constante do aumento da espessura em função do tempo), desde que haja uma permuta suficiente de oxidante. Uma permuta de uma atmosfera oxidante neste caso de ar, pode ser convencionalmente proporcionada por respiradouros no forno. O desenvolvimento do produto da reacção continua até que seja verificada pelo menos uma das seguintes condições:!) substancialmente todo o metal..'original

- 15 está consumido; 2) o oxidante é esgotado ou cohaaímido ou a atmosfera oxidante é substituída por uma atmosfera não-oxidante ou evacuada; ou 3) altera-se a temperatura de reacção de modo a ficar substancialmente fora da gama de temperaturas da reacção, por exemplo abaixo do ponto de fusão do metal original. Usualmente, a temperatura é reduzida baixando a temperatura do forno, retirando-se então o material do for no.

produto cerâmico resultante consiste essencialmen te no produto da reacção de oxidação do metal original com o oxidante e, optativamente, um ou mais constituintes metálicos, tais como constituintes não oxidados do metal original. Deve entender-se que o material policristalino resultante pode apresentar uma certa porosidade que pode resultar de uma substituição parcial ou quase completa da fase de metal, mas a percentagem, em volume, de lacunas no produto dependerá grandemente de condições tais como a temperatura, o tempo e o tipo de metal original usado. 0 produto da reacção de oxidação policristalino está na forma de cristalitos que estão pelo menos parcialmente interligados. Embora a presente invenção seja a seguir descrita dando ênfase particular ao alumínio e formas específicas de alumínio como o metal origi nal, esta referência é feita apenas a título de exemplo, devendo entender-se que podem também usar-se outros materiais, tais como silício, titânio, háfnio, zircónio, etc., que satisfazem, ou podem ser contaminados para que satisfaçam os critérios da presente invenção.

oxidante na fase vapor é um oxidante que é normal mente gasoso ou vaporizado nas condições do processo para proporcionar uma atmosfera oxidante. Os oxidantes típicos na

fase vapor incluem, por exemplo: oxigénio ou um gás contendo oxigénio, azoto ou um gás contendo azoto, umbalogéneq, enxôfre, fósforo, arsénio, carbono, boro, selénio, telúrio e compostos e combinações dos mesmos, por exemplo, metano, oxigénio, etano, propano, acetileno, etileno, propileno (hidrocarbonetos como fonte de carbono), e misturas tais como ar, H^/HgO e CO/COg, sendo as duas últimas (isto é, Hg/HgO e CO/CO^) utilizadas na redução da actividade oxidante do meio ambiente. Quando se identifica um oxidante na fase vapor como contendo ou compreendendo um gás ou vapor particular, isto significa um oxidante na fase de vapor em que o gás identificado ou vapor é o único oxidante do metal original nas condições obtidas no meio oxidante utilizado. Portanto, o ar entra na definição de um oxidante de gás contendo oxigénio, mas não na de um oxidante de gás contendo azoto. Um exemplo de um oxidante de gás contendo azoto segundo a definição aqui usa da nas reivindicações é ogás de formação que tipicamente contém cerca de 96 por cento, em volume, de azoto e cerca de 4 por cento, em volume, de hidrogénio.

Certos metais originais, em condições específicas de temperatura e de atmosfera oxidante, obedecem aos critérios necessários para o fenómeno de oxidação segundo a presente invenção sem adições ou modificações especiais. Contudo, materiais contaminantes usados em combinação com o metal original podem influenciar favoravelmente ou promover o processo da reacção de oxidação. Enquanto não se pretenda ficar ligado a qualquer teoria ou explicação particular da função dos contaminantes, parece que alguns dopantes são uteis naqueles casos em que não existem intrinsecamente as relações apropriadas de ener gia superficial entre o metal original e o seu produto da reacção de oxidação, Assim, certos contaminantes ou combinações de contaminantes que reduzem a energia interfacial sóli. do-líquido, tenderão a promover ou acelerar o desenvolvimento da estrutura policristalina formada na oxidação do metal, no interior de uma estrutura contendo canais para transporte do metal fundido, como é exigido pelo novo processo. Outra função dos materiais contaminantes pode ser a de iniciar o fenómeno de desenvolvimento da cerâmica, aparentemente ou ser vindo como um agente de nucleação para a formação de cristalitos estáveis do produto da reacção ou pela rotura produzida de qualquer forma de uma camada inicialmente passiva do produto da reacção, ou ambas as coisas. Esta última classe de contaminantes pode não ser necessária para criar o desenvolvimento da cerâmica, mas tais contaminantes podem ser importantes na redução de qualquer período de incubação para iniciação de tal desenvolvimento até limites práticos comercialmente para certos sistemas de metal original.

A função ou funções do material contaminante podem depender de um certo número de factores diferentes do contaminante propriamente dito. Estes factores incluem, o metal original particular, o produto final desejado, a combinação particular de contaminantes quando se usam dois ou mais contaminantes, o uso de um contaminante aplicado externamente em combinação com um contaminante de liga, a concentração do contaminante, o meio oxidante e as condições do processo.

Os contaminantes utilizáveis para um metal original de alumínio, em particular com ar como oxidante, incluem, por exemplo, o metal magnésio e o metal zinco, em combinação um

com o outro ou em combinação com outros contaminantes indica dos adiante. Esses metais, ou uma fonte adequada dos metais, podem ser usados em ligas no metal original à base de alumínio, em concentrações, para um deles de entre cerca de 0,1 e 10$, em peso, com base no peso total do metal contaminado re_ sultante. A gama de concentrações para qualquer dos contaminantes dependerá de factores tais como, a combinação de contaminantes e a temperatura do processo. Parece que as concen trações dentro desta gama iniciam o desenvolvimento da cerâmica, aumentam o transporte de metal e influenciam favoravel mente a morfologia do desenvolvimento do produto da reacção de oxidação resultante.

Outros contaminantes que são eficientes na promoção do desenvolvimento do produto da reacção de oxidação policristalino, para sistemas de metal original à base de alumínio são, por exemplo, o silício, ogermânio, o estanho e o chumbo, especialmente quando usados em combinação com o magnésio ou o zinco. Um ou mais destes outros contaminantes, ou uma fonte adequada dos mesmos, são usadas como componentes de liga nos sistemas de metal original de alumínio em concentrações, para cada um deles de cerca de 0,5 a cerca de 15$, em peso, da liga total; contudo, obtêm-se uma cinética e uma morfologia de desenvolvimentos mais desejáveis com con centrações de contaminante na gama de cerca de 1 a 10%, em peso, da liga de metal original total. O chumbo, como contaminante, é geralmente usado como elemento de liga no metal original à base de alumínio a uma temperatura de pelo menos 1000°C, de modo a contar com a sua baixa solubilidade no alu mínio; contudo, a adição de outros componentes de liga, tais como o estanho, aumentará geralmente a solubilidade cb chumbo e permitirá que os materiais de liga sejam adicionados a uma temperatura mais baixa.

Podem usar-se um ou mais contaminantes, conforme as circunstâncias, como atrás se explicou. Por exemplo, no caso de um metal original de alumínio e com o ar como oxidante as combinações de contaminantes particularmente úteis incluem (a) magnésio e silício ou (b) magnésio, zinco e silício. Nestes exemplos, uma concentração de magnésio preferida encontra-se dentro da gama de cerca de 0,1 a cerca de 3$, em peso, para o zinco na gama, de cerca de 1 a cerca de 6%, em peso, e para o silício na gama de cerca de 1 a cerca de 10$, em peso.

Outros exemplos de materiais contaminantes utilizáveis com um metal original de alumínio incluem o sódio, o lítio, o cálcio, o boro, o fósforo e o ítrio, os quais podem ser usados individualmente ou em combinação com um ou mais ou tros contaminantes, conforme o oxidante e as condições do processo. 0 sódio e o lítio podem ser usados em quantidades muito pequenas, na gama de algumas partes por milhão, tipicamente cerca de 100-200 partes por milhão, podem qualquer deles ser usado sózinho ou conjuntamente ou em combinação com outro(s) contaminante( s ). Elementos das terras raras, tais como o cério, o lantânio, o prasêodímio, o neodímio e o samário são também contaminantes utilizáveis, e mais uma vez especialmente quando usados em combinação com outros contaminantes.

Não é necessário ligar qualquer material contaminante ao metal original. Por exemplo, aplicando-se selectivamen te um ou mais materiais contaminantes numa camada fina em to

da a superfície do metal original ou em parte da mesma activa-se o desenvolvimento da cerâmica local a partir da superfície de metal original ou de porções desta prestando-se essa aplicação ao desenvolvimento do material cerâmico policristalino para o interior do material de enchimento permeável em áreas selecionadas. Assim, pode controlar-se o desenvolvimento do material cerâmico policristalino pela colocação localizada de um material contaminante na superfície do metal original. 0 revestimento ou camada aplicado de contaminante é fina em relação à espessura do corpo do metal original, e o desenvolvimento ou formação do produto da reac. çao de oxidação estende-se substancialmente para além da camada de contaminante, isto é, para além da profundidade da camada de contaminante aplicada. Tal camada de material contaminante pode ser aplicada por pintura, imersão, por serigra fia, por evaporação ou por aplicação de outra maneira do mate_ rial contaminante, na forma líquida ou em pasta, ou por deposição catódica, ou por simples deposição de uma camada de um contaminante em partículas sólido ou de uma folha ou película fina sólida de contaminante na superfície do metal original. O material contaminante pode, mas não necessariamente, incluir quaisquer ligantes orgânicos ou inorgânicos, veiculados, solventes e/ou espessadores. Um processo de aplicação particularmente preferido de contamihantes na superfície do metal original consiste em utilizar uma suspensão líquida dos contaminantes numa mistura de água/ligante orgânico aspergida sobre uma superfície do metal original de modo; a obter um revestimento aderente que facilite o manuseamento do metal original contaminado antes do processamento.

Os materiais contaminantes, quando usados externamen te, sao usualmente aplicados a uma porção de uma superfície do metal original como um revestimento uniforme. A quantidade de contaminante é eficaz numa ampla gama em relação à quantidade de metal original ao qual é aplicada e, no caso do alumínio, falharam as tentativas para determinar limites operáveis quer inferiores quer superiores. Por exemplo, quando se utiliza silício na forma de dióxido de silício aplicado externamente como contaminante para um metal original à base de alumínio, usando ar ou oxigénio como oxidante, quantidades tao baixas como 0,00003 grama de silício por grama de metal original, ou cerca de 0,0001 grama de silício por centímetro quadrado de superfície exoosta de metal original, juntamente com um segundo contaminante proporcionando uma fonte de magnésio e/ou zinco, produzem o fenómeno de desenvolvimento da cerâmica policristalina. Verificou-se também que pode obter-se uma estrutura cerâmica a partir de um metal original à base de alumínio, usando ar ou oxigénio como oxidante, utilizando MgO ou MgAlgO^ como contaminante, numa quantidade maior do que cerca de 0,003 grama de Mg por centímetro quadrado de superfície do metal original a contaminar e maior do que cerca de 0,0008 grama de Mg por grama de metal original a oxidar.

Em certas formas de realização preferidas da presente invenção, coloca-se o metal original que, por exemplo, pode compreender alumínio, silício, zircónio, háfnio ou titânio, e uma massa permeável de material de enchimento, um junto da outra e orientam-se mutuamente de modo que o desenvolvimento do produto da reacção de oxidação, como atrás

se descreve, far-se-à no sentido do material de enchimento, de modo que o material de enchimento, ou uma parte do mesmo, infiltrar-se-à pelo produto da reacção de oxidação em desenvolvimento eimpregnará este. Este posicionamento e esta orientação do metal original e do material de enchimento um em relação ao outro podem ser obtidos enterrando simplesmente um corpo de metal original no interior de um leito de material de enchimento em partículas ou colocando um ou mais corpos de metal original no interior, ou adjacente a um leito ou outro conjunto de material de enchimento. Este material de enchimento pode compreender, por exemplo, plaquetas, um leito de esferas (sólidas ou ocas), pós ou outros materiais em partículas agregados, fibra refiaetária, túbulos, fios emaranhados ou similares, ou uma combinação dos corpos referidos. 0 conjunto é, em qualquer caso, disposto de modo que uma direcção de desenvolvimento do produto da reacção de oxidação pene tre ou mergulhe pelo menos numa porção do material de enchimento, de modo que os espaços vazios entre as partículas do material de enchimento . sejam preenchidos pela matriz do produto da reacção de oxidação, desenvolvido.

Quando forem necessários ou desejáveis um ou mais materiais contaminantes são requeridos ou desejáveis para promo ver ou facilitar o desenvolvimento do produto da reacção de oxidação através de uma massa permeável de material de enchimento, o contaminante pode ser usado sobre e/ou no interior do metal original e, em alternativa ou adicionalmente, o contaminante pode ser usado sobre o material de enchimento ou ser provido pelo mesmo. Desse modo, o contaminante ou os contaminantes podem ser providos como elementos de liga do metal

- 23 original, ou podem ser aplicados a pelo menos uma porção da superfície do metal original, como atrás se descreveu, ou p£ dem ser aplicados no material de enchimento ou fornecidos pe_ lo mesmo ou por uma parte do leito do material de enchimento ou pode aplicar-se qualquer combinação de duas ou mais das técnicas supracitadas. No caso da técnica em que um ou mais contaminantes são aplicados no material de enchimento, a apli cação pode ser realizada de qualquer maneira adequada, tal como por dispersão dos contaminantes através de parte ou de toda a massa do material de enchimento, sob a forma de gotículos finas ou de partículas, preferivelmente numa porção do leito do material de enchimento adjacente ao metal original. A aplicação de quaisquer dos contaminantes ao material de enchimento pode também ser feita por aplicação de uma camada de um ou mais materiais contaminantes sobre e no interior do leito, incluindo quaisquer das suas aberturas, interstícios e passagens interiores, espaços intermédios ou similares, que o tornam permeável. Pode também proporcionar-se uma fonte do contaminante pela colocação de um corpo rígido contendo o contaminante em contacto com e entre pelo menos uma porção da superfície do metal original e o leito do material de enchimento. Por exemplo, se for necessário um contaminante de silício, pode colocar-se uma folha fina de vidro ou outro material contendo silício sobre uma superfície do metal origi. nal sobre o qual se tenha aplicado previamente um segundo con taminante.Quando o metal original coberto com o material contendo silício se fundir num meio oxidantefpor exemplo, no caso de alumínio no ar, entre cerca de 85O°C e cerca de 145O°C, preferivelmente entre cerca de 900°C e cerca de 1350°), ve* - 24 rificar-se-à o desenvolvimento do material cerâmico cristalino no material de enchimento permeável. No caso em que o contaminante é aplicado exteriormente a pelo menos uma porção da superfície do metal original, a estrutura de óxido policristalino geralmente desenvolve-se no interior do material de enchimento permeável substancialmente para além da camada de contaminante (isto é, para além da profundidade da camada de contaminante aplicada). Em qualquer dos casos, podem aplicar-se um ou mais dos contaminantes externamente à superfície do metal original e/ou ao leito de material de enchimento permeável. Adicionalmente, os contaminantes usados como elementos de liga no interior do metal original e/ou aplicados externamente ao metal original podem ser aumentados por um ou mais contaminante(s) aplicado (s) ao leito de material de enchimento. Desse modo, quaisquer dificiências de concentração dos contaminantes de liga no interior do metal original e/ou aplicados externamente ao metal original podem ser aumentados pela concentração adicional do(s) respectivo(s) contaminante(s) aplicado (s) ao leito, e vice-versa.

No caso de se usar o alumínio ou as suas ligas como metal original e um gás contendo oxigénio como oxidante no processo de produção de uma estrutura compósita cerâmica, as quantidades apropriadas de contaminantes são usadas como elementos de liga ou aplicadas ao metal original como atrás se descreve. 0 metal original é então colocado num cadinho ou noutro recipiente refractário com a superfície metálica expos. ta a uma massa adjacente ou circundante de material de enchimento permeável no dito recipiente e na presença, de uma atmos. fera oxidante (tipicamente ar à pressão atmosférica ambiente).

conjunto resultante é então aquecido no interior de um for ,-25no para elevar a sua temperatura até um valor numa gama tipicamente entre cerca de 85O°C e cerca de 1450°C ou, mais preferivelmente, entre cerca de 9OO°C e cerca de 135O°C, confor me o material de enchimento, o contaminante ou as concentrações de contaminante, ou a combinação de qualquer destes fa£ tores, depois do que começa a verificar-se o transporte do metal original, através da película, de óxido que normalmente protege o metal original de alumínio.

A exposição continuada do metal original a alta temperatura ao oxidante permite a formação do produto cia reacção, policristalino, como se descreveu atrás. Quando se utiliza um oxidante sólido na produção de uma estrutura compósi. ta cerâmica, ele pode ser dispersado através do volume total do material de enchimento ou através de uma porção do materi. al de enchimento adjacente ao metal original. Quando se utiliza assim um oxidante líquido, então pode revestir-se ou embeber-se todo o volume do material de enchimento por um oxidante líquido adequado. Em qualquer caso, o desenvolvimen to do produto da reacção de oxidação impregna progressivamen te o material de enchimento permeável adjacente com a matriz do produto da reacção de oxidação interligada que também pode conter constituintes não oxidados do metal original ou constituintes metálicos de um contaminante redutível, forman do assim um produto compósito coerente. 0 desenvolvimento da matriz policristalina impregna ou atravessa os poros do mate, rial de enchimento.

São exemplos de materiais de enchimento utilizáveis na presente invenção, conforme o metal original e os sistemas de oxidação escolhidos, um ou mais dos seguintes : um óxido, um nitreto, um boreto ou um carboneto. Tais materi ' - 26 ais incluem, por exemplo, óxido de alumínio, carboneto de silício, sílica, oxinitreto de alumínio e silício, óxido de zir cónio, boreto de zircónio, nitreto de titânio, titanato de bá rio, nitreto de boro, nitreto de silício, diamante, diboreto de titânio, espinela aluminato de magnésio e misturas dos mes. mos. Pode no entanto utilizar-se na presente invenção qualquer material de enchimento apropriado.

Os exemplos seguintes ilustram certos aspectos da, pre_ sente invenção.

Comparou-se um material abrasivo produzido de acordo com a presente invenção com um material abrasivo de alumina (38 Alundum, da Norton Co., crivado para uma granulometria de 27 mesh), produzido convencionalmente, relativamente à sua capacidade para desgastar um corpo de aço comercialmente disponível .

material abrasivo segundo a presente invenção incluía grãos microcompósitos constituído essencialmente pelo produto da reacção de oxidação de uma liga de alumínio com ar como oxidante na fase vapor, e um material de enchimento de carboneto de silício. 0 material foi fabricado de acordo com 0 processo descrito na fabricação do material abrasivo F atrás definido. 0 material foi crivado para uma granulometria de 14 mesh.

Colocaram-se vinte gramas do abrasivo de alumina 38 Alundum convencional atrás descrito e 20 gramas do produto compósito abrasivo de carboneto de silício-alumina fabricado segundo a presente invenção em vasos de aço separados (âbbe Co., tamanho Mijit). Pesaram-se cuidadosamente dois conjuntos de três barras roscados de aço e colocou-se cada conjunto num

- 27 vaso. Taparam-se os vasos e colocaram-se num aparelho rotati. vo e rodaram durante 1,5 horas a 92 rotações por minuto. Recolheram-se as barras roscadas de aço de cada vaso e pesaram -se novamente para determinar a perda de massa sofrida pelas barras de aço.

A massa antes da abrasão das barras tratadas com o abrasivo convencional era de 36,37 g, comparada com 36,2 g após a abrasão. A perda. de massa de 0,05 representa uma perda de 0,13$ no tempo de abrasão de 1,5 horas. A massa antes da abrasão das barras tratadas com o material abrasivo segun do a presente invenção era de 36,49 g, comparada com 36,44 g após a abrasão. Esta perda de 0,05 representa uma perda de 0,14$ no mesmo tempo.

Claims

Reivindicações

1,- Processo para a produção de um material abrasivo, caracterizado por ser constituído por grãos incluindo essencialmente (1) o produto da reacção de oxidação de um metal original com um oxidante na fase de vapor e, optativamente, (2) um ou mais constituintes metálicos não oxidados do metal original, compreendendo o dito processo as fases de:

A- aquecimento do dito metal original a uma temperatura acima do ponto de fusão do dito metal original, mas abaixo do ponto de fusão do produto da reacção de oxidação para formar um corpo de metal fundido e, à dita temperatura, reacção do dito corpo de metal fundido com o dito oxidante na fase de vapor para formar o dito produto da reacção de oxidação; manutenção de pelo menos uma porção do dito produto da reacção de oxidação em contacto e entre o dito corpo de metal fundido e o dito oxidante para arrastar metal fundido através do produto da reacção de oxidação em direcção ao oxidante, de modo que o produto da reacção de oxidação continue a formar-se na interface do oxidante e do produto da reacção de oxidação anteriormente formado e, optativamente, deixando os constituintes não oxidados do dito metal original dispersos através do dito produto da reacção de oxidação; e a continuação da dita reacção durante um tempo suficiente pa-29xr>

ra produzir um corpo cerâmico;

(B) trituração do dito corpo cerâmico, e (C) recolha do material cerâmico triturado.
2.- Processo para produção de um material abrasivo, caracterizado por incluir grãos constituídos essencialmente por (1) o produto da reacção de oxidação de um metal original com um oxidante na fase de vapor, (2) um material de enchimento e, optativamente, (3) um ou mais constituintes metálicos, compreendendo o dito processo as fases de:

(A) aquecimento do dito metal original a uma temperatura acima do seu ponto de fusão, mas abaixo do ponto de fusão do produto da reacção de oxidação para formar um corpo de metal fundido, contactando uma zona de uma massa de um material de enchimento com o dito corpo de metal fundido, fazendo reagir o dito metal fundido com o dito oxidante na fase de vapor para formar o dito produto da reacção de oxidação, e mantendo pelo menos uma porção do dito produto da reacção de oxidação em contacto com e entre o dito metal fundido e o dito oxidante para progressivamente transportar metal fundido através do produto da reacção de oxidação no sentido do oxidante e no sentido e para o interior da referida massa de material de enchimento de modo que continue a formar-se produto da reacção de oxidação na interface entre o dito oxidante e o produto da reacção de oxidação anteriormente formado que se tenha infiltrado na dita massa de material de enchimento, •30 e continuando a dita reacção de oxidação durante um tempo suficiente para infiltrar pelo menos uma porção do referido material de enchimento com o dito produto de oxidação para formar um corpo compósito cerâmico retirando optativamente os constituintes oxidados do metal original dispersos através do dito produto da reacção de oxidação;

(B) trituração do dito corpo compósito cerâmico, e (C) recolha do material compósito cerâmico triturado.
3. - Processo de acordo comas reivindicações 1 ou 2, caracterizado por se misturar o material triturado com um agente de ligação, se moldar e deixar solidificar, formando assim um produto abrasivo.
4. - Processo de acordo com as reivindicações 1 ou 2, caracterizado por o material triturado ser misturado com um adesivo e aplicado a uma chapa de apoio, formando assim um produto abrasivo.
5. - Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por o referido material de enchimento ser escolhido no grupo constituído por óxidos, nitretos, boretos e carbonetos.
6. - Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por o dito material de enchimento ser escolhido no grupo constituído por alumina, carboneto de silício, zircónio, diamante, diboreto de titânio, nitreto de boro, carboneto de boro e espinela de aluminato de magnésio.
7. - Processo de acordo com uma qualquer das reivindicações

1, 2, 5 ou 6, caracterizado por o dito metal original ser um me λ -31 tal original de alumínio, por o dito oxidante ser ar e por o dito produto da reacção de oxidação ser a alumina.