PT85708B - Processo aperfeicoado para a producao de estruturas compositas de ceramica utilizando escoria - Google Patents
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Description
A presente invenção refere-se a uma nova utili.
zação dos resíduos metálicos ou escórias no processo de produção de uma estrutura compósita de cerâmica. Mais particularmente, a presente invenção diz respeito a um aperfeiçoamento no processo para a produção de uma estrutura compósita de cerâmica por crescimento de um material policristalino, que compreende um produto da reacção de oxidação a partir de um metal original no interior de uma massa permeável de material de enchimento constituído por escória metálica triturada, produzida numa ope) ração de fusão do metal.
Fundamentos
Quando determinados metais ou ligas metálicas são refundidos ou mantidos no estado fundido num forno ou cadi. riho, os metais oxidam-se parcialmente, para formar uma escória que compreende primariamente o óxido desse metal e o próprio me tal, juntamente com quantidades menores de impurezas e elementos de liga presentes no metal fundido e/ou compostos (tais como óxidos e halogenetos) destas impurezas e dos elementos de liga. A escória flutua â superfície do corpo de metal fundido e pode
- 2 ser separada dele por escumação ou outras técnicas. Essa escória é considerada usualmente como um produto de refugo na indústria dos metais, que se defronta com o problema de se descartar de grandes quantidades de escória, embora sejam conhecidos processos para recuperar o metal ou outros valores da escória. Por exemplo, são conhecidos processos para obter alumina activada utilizável a partir da escória (como se descreve na patente americana 4 075 284) e para converter escória num mate rial refractário utilizável, por compactação e calcinação num forno (como se descreve na patente americana 4 523 949).
Tal como é aqui empregado, o termo escória significa um material em fase sólida, usualmente rico em óxido ou nitreto, que se formou na superfície de um corpo do metal fundido, ou na junção trifásica entre a parede do forno, o metal fundido e a atmosfera gasosa, durante operação de fusão do metal. È uma mistura física de metal retido e de uma cerâmica formada por oxidação. A escória é uma camada fina, fraca e flutuante que tipicamente é removida como um material residual de desperdício, por separação física, do corpo de metal fundido, por exemplo, por meio de operações de escoação.
A escória escumada da superfície de metal fundi, do pode conter quantidades de metal tão grandes como 60$, em peso, uma parte do qual toma a forma de grandes inclusões infor mes. A escória é usualmente sujeita a uma operação de trituração sendo os pedaços de metal maiores fisicamente separados da cerâmica friável e voltando o metal removido ao forno de fusão. Uma outra fonte de escória são as operações de fundição, tais como a cloração dos componentes metálicos reactivos do material fundido ou a adição dos fundentes de fundição. A escória gera-
da nessas operações contém sais solúveis que parece prejudicar outros usos.
Nos últimos anos, tem havido um interesse cres^ cente pela substituição dos metais por cerâmica porque, no que respeita a determinadas propriedades, as cerâmicas são superio· res aos metais. Existem no entanto várias limitações ou dificuldades conhecidas para fazer essa substituição, tais como a versatilidade de escala, a capacidade de produção de formas complexas, a satisfação das propriedades requeridas pela aplicação de uso final e os custos. Muitas dessas limitações ou dificuldades têm sido vencidas pelas invenções descritas nos pedidos de patente concedidas ao mesmo cessionário deste pedido de patente consideradas da secção seguinte, as quais propor cionam novos processos para produzir de maneira fiável materiais cerâmicos, incluindo materiais compósitos modelados. É necessário um material de enchimento compatível com material compósito para os materiais compósitos cerâmicos para se obterem as propriedades finais desejadas.
Descrição dos pedidos de patente do mesmo proprietário
Os seguintes pedidos de patente do mesmo proprietário descrevem novos processos para a produção de um corpo cerâmico auto-suportado por oxidação de um metal original para formar um material policristalino do produto da reacção de oxidação e, optativamente, constituintes metálicos:
(a) 0 N8. 818 9^3, depositado em 15 de Janeiro de
1986, que é uma adição do N?. 776.904, depositado em 17 de Setembro de 1985, que é uma adição do N?. 705*787, depositado em 26 de Fevereiro de 1985, uma adição do N2. 591 392, depositado
- 4 em 16 de Março de 1984, todos em nome outros e intitulados Novos materiais de Marc S. Newkirk e cerâmicos e processo para o seu fabrico” (B) 0 N2. 822 999, depositado em 27 de Janeiro de 1986 que é uma adição do N2. 776 965, depositado em 17 de Setembro de 1985, uma adição do N?. 747 788, depositado em 25 de Junho de 1985, que é uma adição do N?. 632 636, depositado em 20 de Julho de 1984, todos em nome de Marc S. Newkirk e outros e intitulado Processos para o fabrico de materiais cerâmicos autosuportado sj e (C) 0 N?. 819.397, depositado em 17 de Janeiro de 1986 que é uma adição do N?. 697.876, depositado em 4 de Fevereiro de 19θ5, ambos em nome de Marc S. Newkirk e outros e intitulado Produtos compósitos cerâmicos e processo para o seu fabrico, (D) 0 N«. 861 024, depositado em 8 de Maio de 1986, em nome de Marc S. Newkirk e outros e intitulado Processo para o fabrico de produtos compósitos cerâmicos modelados utilizando um meio de barreira.
As descriçães completas de todos os pedidos de patente do mesmo proprietário atrás referidos são aqui incorporadas por referência.
Como se explicou nestes pedidos de patente do mesmo proprietário, os novos materiais cerâmicos policristalinos ou materiais compósitos cerâmicos policristalinos são produzidos pela reacção de oxidação entre um metal original e um oxidante em fase de vapor, isto é, um material vaporizado ou normalmente gasoso, como atmosfera oxidante. 0 processo está
- 5 9 Λ descrito genericamente nos Pedidos de Patente A do mesmo proprietário. De acordo com este processo genérico, aquece-se um metal original, por exemplo alumínio, até uma temperatura elevada, acima do seu ponto de fusão mas abaixo do ponto de fusão do produto da reacção de oxidação, para formar um corpo de metal original fundido que reage por contacto com um oxidan te em fase de vapor para formar o produto da reacção de oxidação. A esta temperatura, o produto da reacção de oxidação, ou pelo menos uma porção do mesmo, está em contacto com o corpo de metal básico original fundido e o oxidante estende-se entre os mesmos; e o metal fundido é arrastado através do produto da reacção de oxidação formado, no sentido do oxidante. 0 metal fundido transportado forma produto da reacção de oxidação adicional por contacto com o oxidante, na superfície do produto da reacção de oxidação formado anteriormente. À medida que o processo continua, transporta-se mais * metal através desta formação do produto da reacção de oxidação policristalino, crescendo” assim continuamente uma estrutura cerâmica de cristalitos interligados. 0 corpo cerâmico pode conter cons tituintes metálicos, tais como constituintes não oxidados do metal original e/ou espaços vazios. No caso de um óxido como produto da reacção de oxidação, o oxigénio ou misturas gasosas contendo oxigénio (incluindo o ar) são oxidantes apropriados, sendo usualmente preferido o ar por razães óbvias de economia. No entanto, o termo oxidação é usado no seu sentido lato, em todos os pedidos de patente do mesmo proprietário e no presente pedido de patente e significa a perda ou a partilha de electrães por um metal para com um oxidante que pode ser um ou vários elementos e/ou compostos. Portanto, outros ele-
mentos sem ser o oxigénio, ou compostos, podem servir como oxi dante, como se explica mais adiante com mais pormenor.
Em certos casos, o metal original pode exigir a presença de um ou vários contaminantes para influenciar beneficamente ou facilitar o crescimento do produto da reacção de oxidação, sendo os contaminantes fornecidos como elementos de liga do metal original. Por exemplo, no caso do alumínio C£ mo metal original e ar como o oxidante, contaminantes tais como o magnésio e o silício, para nomear apenas dois entre uma classe mais ampla de materiais contaminantes, são ligados com o alumínio e utilizados como metal original. 0 produto da reacção de oxidação resultante compreende alumina, tipicamente alfa-alumina.
Os pedidos de patente MB” do mesmo proprietário atrás referidos descrevem um outro desenvolvimento baseado na descoberta de que as condições de crescimento apropriadas como as descritas atrás, para os metais originais que exigem contaminantes, podem ser induzidas aplicando um ou mais materiais contaminantes à superfície ou superfícies do metal original, evitando assim a necessidade de ligar o metal original com materiais contaminantes, por exemplo, metais como o magnésio, o zinco e o silício, no caso de o metal original ser o alumínio e ar o oxidante. Com este aperfeiçoamento, é viável utilizar metais existentes no comércio e ligas que, de outro modo, não conteriam nem teriam composições contaminadas apropriadamente. Esta descoberta é vantajosa também pelo facto de ser possível conseguir o desenvolvimento da cerâmica em uma ou mais áreas escolhidas da superfície do metal original, em vez de indiscriminadamente, tornando assim o processo aplica- 7 -
do mais eficaz por exemplo contaminando apenas uma superfície, ou apenas uma ou mais porções da mesma, de um metal orj.
ginal.
Novas estruturas compósitas de cerâmica e novos processos para o seu fabrico estão descritos e reivindicados nos pedidos de patente C” do mesmo proprietário atrás referidos que utilizam a reacção de oxidação para produzir estru turas compósitas de cerâmica que compreendem um material de en chimento substancialmente inerte, infiltrado pela matriz de Cje râmica policristalina. Aquece-se um metal original, disposto adjacente a uma massa de material de enchimento permeável para formar um corpo de metal original fundido que reage com um oxi dante em fase de vapor, como atrás se descreve, para formar um produto da reacção de oxidação, λ medida que o produto da reacção de oxidação cresce e se infiltra no material de enchimen to adjacente, é arrastado metal original através do produto de reacção de oxidação formado anteriormente no interior da massa de material de enchimento e reage com o oxidante para formar produto da reacção de oxidação adicional na superfície do produto anteriormente formado, como atrás se descreve. 0 cres cimento resultante do produto da reacção de oxidação infiltra-se ou penetra no material de enchimento, dando origem à. forma ção de uma estrutura compósita de cerâmica de uma matriz cera mica policristalina que penetra no material de enchimento.
Conforme se descreve no pedido de patente americano também pendente, N?. 861 024, o desenvolvimento do produto da reacção de oxidação de cerâmica, pode limitar-se substancialmente ao corpo permeável de material de enchimento medji ante a cobertura das superfícies terminais do corpo com um ma
terial de barreira que impede ou inibe localmente a continuação do processo de crescimento. No caso do alumínio como o metal original, substâncias contendo cálcio, tais como o gesso de Paris ou uma mistura de sulfato de cálcio-carbonato de cálcio, o cimento Portland (aluminato de cálcio e sílica) e a Kollastonite (silicato de cálcio), que tipicamente se tornam permeáveis, são materiais utilizáveis como barreiras. 0 aço inoxidável 304, tipicamente como uma malha tal como a AISI 304 e de calibre 22, também mostrou ser utilizável como barreira.
Assim, os pedidos de patente do mesmo proprietário atrás referidos descrevem a produção de produtos cerâmicos policristalinos, incluindo compósitos de cerâmica desenvolvidos” facilmente até às espessuras desejadas até agora consideradas di. fíceis, se não impossíveis de conseguir com as técnicas tradicionais de processamento da cerâmica. A presente invenção proporciona um outro aperfeiçoamento na produção dos produtos compósitos de cerâmica.
Sumário da Invenção
A presente intenção refere-se a um processo aperfeiçoado para a produção de um produto Compósito cerâmico policristalino, por infiltração de uma massa ou leito de material de enchimento permeáveis, com uma matriz de cerâmica que compreende um produto da reacção de oxidação policristalino desenvolvido por oxidação de um metal original fundido, substancialmente como se descreve nos pedidos de patente do mesmo proprietário atrás referidos. A escória metálica formada como refugo ou como subproduto não desejado durante as operaçães de fusão e
- 9 de fundição, constitui uma fonte utilizável de material de en chimento e além disso proporciona uma melhor cinética e morfc> logia, como se descreve mais adiante com mais pormenor.
Na prática da presente invenção, aquece-se um metal original na presença de um oxidante para formar um corpo de metal fundido que está em contacto com um leito de mate rial de enchimento permeável. Na realização prática da presente invenção, o oxidante pode ser sólido, líquido ou em fase de vapor ou misturas dos mesmos, como se explica mais adiante em pormenor. Forma-se um produto da reacção de oxidação quando o metal fundido contacta com o oxidante ,e mantêm-se as condições do processo, para arrastar progressivamente metal fundido através do produto da reacção de oxidação formado e no sentido do oxidante de modo a formar continuamente produto da reacção de oxidação que se infiltra no material de enchimento .
A fase de aquecimento é conduzida a temperatu ras acima do ponto de fusão do metal original abaixo da temperatura de fusão do produto da reacção de oxidação, e o aquecimento é continuado durante um tempo necessário para pro. duzir um produto compósito cerâmico policristalino, com as d/ mensões desejadas. 0 corpo cerâmico resultante pode incluir um ou mais constituintes metálicos, tais como metal original não oxidado e/ou espaços vazios, ou ambas as coisas.
aperfeiçoamento segundo a presente invenção baseia-se na descoberta de que pode obter-se um corpo compôs/ to cerâmico auto-suportado, utilizando como material de enchi, mento uma escória de metal triturada, formada durante as ope rações de fusão de metal. Forma-se uma massa ou leito deste ma terial de enchimento como um corpo permeável, isto é, um corpo permeável no seu interior ao crescimento do produto da reacção de oxidação do metal original, podendo ser constituído por um leito de um material em partículas ou um pré-molde permeável.A escória metálica é preparada (1) triturando ou moendo a escória até obter partículas finas e peneirando o pó resultante para obter fracções de dimensões apropriadas; (2) analisando a escória e ajustando-a à composição química desejada; e (3) preparando um agregado para o corpo permeável, o qual pode ser misturado com outros constituintes ou matérias de material de enchimento e/ou contaminantes e, optativamente, transformado num pré-molde modelado. Quando se desejar, a superfície ou superfícies de iniciação do pré-molde em contacto com o corpo de metal original são revestidas com material contaminante adicit) nal. Além disso, os limites ou superfícies terminais do pró-molde podem ser revestidas com um material de barreira, para proporcionar um corpo compósito cerâmico, com uma forma nítida. Uma massa de material de enchimento resultante, preferivelmente modelada como um pré-molde permeável, é posta adjacente a um metal original ou orientada em relação ao mesmo e submetida ao processo da reacção de oxidação. Este processo da reacção continua durante um tempo suficiente para infiltrar pelo menos uma porção do corpo de material de enchimento com o produto da reacção de oxidação policristalino, de modo que possa obter-se uma estrutura compósita de cerâmica com as dimensões desejadas,
Mais especificamente, coloca-se um metal origi nal disposto ou orientado em relação à massa permeável do mate rial de enchimento, de maneira que a formação do produto da reacção de oxidação que se verifique num sentido dirigido para a massa de material de enchimento e para o seu interior. 0 desenvolvimento do produto da reacção de oxidação infiltra-se ou penetra na massa de material de enchimento, formando assim a estrutura compósita de cerâmica desejada. 0 material de enchimento pode ser um agregado solto ou ligado, caracterizado por possuir interstícios, aberturas ou espaços intermédios, e o leito ou massa é permeável ao oxidante em fase de vapor e ao desenvolvimento do produto da reacção de oxidação. Tal como éusado aqui e nas reivindicações anexas, o termo material de enchimento deve significar tanto uma composição homogénea como uma composição heterogénea constituída por dois ou mais materiais. Assim, o material de enchimento derivado da escória pode ter misturado com o mesmo, um ou mais materiais de enchimento adicionais, utilizados habitualmente no fabrico dos produtos compósitos cerâmicos. Além disso, ó material original utilizado na produção do produto compósito final pode ter substancialmente a mesma ou diferente composição que o metal que forma a escória utilizada para material de enchimento.
produto da reacção de oxidação cresce no interior do material de enchimento sem disrupção nem deslocamento, resultando daí que se forma uma estrutura compósita de cerâmica relativamente densa, sem a utilização das temperaturas ou pressões elevadas, caracteristicas de outros processos para o fabrico de produtos compósitos de matriz cerâmica. Os produtos compósitos cerâmicos que são produzidos segundo a presente invenção apresentam características eléctricas, de desgaste, térmicas e estruturais, altamente desejáveis e podem ser maqui
V7 nados, polidos, rectificados, etc., para proporcionar produtos com uma certa variedade de aplicações industriais.
Nesta memória descritiva e nas reivindicações anexas, os termos seguintes têm o significado seguinte.
Cerâmico” não deve ser indevidamente considerado como limitado a um corpo cerâmico no sentido clássico, ou seja, no sentido em que ele é constituído totalmente por materiais não metálicos e inorgânicos, mas refere-se sim a um corpo que é predominantemente cerâmico no referente tanto à composição como às características dominantes, embora o corpo possa conter quantidades ínfimas ou substanciais de um ou vários cons tituintes metálicos derivados do metal original, ou reduzidos a partir do oxidante do contaminante ou de um material de enchi mento redutível misturado com um material de enchimento de escória, o mais tipicamente na gama entre cerca de 1 e 40%, em volume, mas podendo incluir mais metal.
••Produto da reacção de oxidação” significa um ou vários metais em qualquer estado de oxidação no qual o metal ou metais forneceram electrões a ou partilharam electrões com um outro elemento, composto, ou combinação dos mesmos. Por con seguinte, um”produto da reacção de oxidação” segundo esta defi^ nição inclui o produto da reacção de um ou mais metais com um oxidante tal como o oxigénio, o azoto, um halogéneo, o enxofre, o fósforo, o arsénio, o carbono, o boro, o selénio, o telúrio e compostos ou combinações dos mesmos, por exemplo, amónia, me tano, etano, propano, acetileno, etileno, propileno e misturas tais como ar, Ng/Hg , Hg/HgO e CO/COg, podendo as duas últimas (ou seja, Hg/HgO e CO/COg) ser usadas para reduzir a activida
- 13 de do oxigeno do meio ambiente.
Oxidante” significa um ou mais aceitadores de electrões ou partilhadores de electrões, que podem ser um elemento, uma combinação de elementos, um composto, ou uma combinação de compostos e que podem ser um vapor, um sólido, ou um líquido, nas condições do processo.
Metal original” refere-se ao metal, por exem pio o alumínio que é o precursor do produto da reacção de oxi. dação policristalino e inclui esse metal como um metal relativamente puro, um metal tal como existe no comércio, com impurezas e/ou constituintes de liga, ou uma liga na qual esse pre cursor metálico é o principal constituinte; e quando se mencijo na um metal específico como metal original, por exemplo o alumínio, o metal identificado deve ser entendido com esta defini^ ção em mente, a menos que se indique o contrário no contexto.
Outras características e vantagens da presente invenção serão evidenciadas na descrição de pormenor seguin te.
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Descrição pormenorizada da invenção e das formas de realização preferidas
Segundo a presente invenção, para a produção de produtos compósitos cerâmicos auto-suportados, aquece-se um metal original num estado fundido, na presença de um oxidante para formar um produto da reacção de oxidação que se infiltra num leito ou massa de carga de material de enchimento. 0 mate rial de enchimento usado compreende uma escória de metal triturado e peneirada até obter dimensões apropriadas das parti
- 14 cuias. Os exemplos de metais fundidos e ligas industriais que formam escórias e são utilizáveis para os fins em vista, são à base de alumínio, titânio, zinco, magnésio e cobre. Escórias derivadas de ligas são especialmente apropriadas para usar como material de enchimento, por exemplo, as derivadas de ligas de alumínio/magnésio, de ligas de cobre e estanho (bronzes), de ligas de cobre/alumínio (bronzes de alumínio), de ligas de cobre e zinco (latões), de ligas de cobre/níquel e de cobre/níque1/ferro. 0 uso das escórias de ligas é particularmente vantajoso porque os elementos de liga frequentemente pr<> porcionarem os contaminantes requeridos para o desenvolvimento da matriz cerâmica, como adiante se descreve.
Uma escória de nitreto é utilizável na produção dos materiais compósitos cerâmicos por reacção de oxidação do metal original fundido numa atmosfera de azoto, substanciajL mente como se descreve no pedido de patente americano MC” do mesmo proprietário. Numa operação de fusão, o metal ou liga fundidos em contacto com uma atmosfera contendo azoto, tal como o gás azoto, o amónio ou gás de formação (mistura N^/Hg), formará uma escória de nitreto. As ligas em que a escória de nitreto se forma facilmente são â base de alumínio, silício, titânio e zircónio. 0 uso dessa escória com nitreto aproveita o que usualmente seria um produto de refugo como um material de enchimento valioso.
Os materiais de enchimento que incluem escória apresentam uma afinidade para o produto da reacção de oxidação desenvolvido durante o processo de produção do produto compósji to final, a qual parece ser atribuível a uma afinidade entre substâncias semelhantes nas condições do processo; ou seja,
- 15 existe uma afinidade aparente para o produto da reacção em crescimento numa escória metálica escolhida apropriadamente. Devido a esta afinidade, observámos uma cinética aperfeiçoada do desenvolvimento e, por conseguinte, verifica-se um desenvolvimento com uma velocidade um tànto maior em comparação com um processo substancialmente idêntico, que utiliza um material de enchimento inerte.
Um factor que parece contribuir para estas características aperfeiçoadas é a presença de um material contaminante associada intimamente ao material de enchimento. Por exemplo, o metal formador da escória pode conter um ou mais constituintes de liga utilizáveis como material ou materiais contaminantes para promover a reacção de oxidação do metal o ri. ginal. Esses materiais estão dispersos por parte ou por toda a escória e podem estar intimamente ligados com a microestrutura do componente cerâmico da escória ou podem estar sob a forma de liga com o componente metálico primário da escória. Quando a escória é triturada para ser usada como material de enchimento,este material contaminante incorporado fazendo parte do material de enchimento da carga serve agora como contaminante utilizável na produção do produto compósito final. Por exemplo, o silício é um constituinte comum na liga de alumínio, e o silício é um contaminante utilizável para a reacção de oxidação do alumínio em ar. Uma percentagem significativa do silício irá formar liga com o alumínio na escória. Quando esta escória for utilizada como material de enchimento este ma terial de enchimento contém agora um contaminante integrado para ser usado na produção do produto compósito de alumina. Ainda como outro exemplo, a escória proveniente de ligas do
alumínio contendo magnésio inclui valores de magnésio (MgO, MgAl^O^ e alumínio metálico com um alto teor de magnésio), eficazes como um contaminante para a reacção de oxidação do alumínio, com oxidante quer de oxigénio, quer de azoto.
A afinidade do metal primário da escória,para o oxidante deve também ser considerada para a presente invenção. Os metais são frequentemente designados como sendo mais ou menos nobres. Nobre”, neste caso, significa a afinidade do metal para um agente oxidante específico, isto é, quanto menor for a tendência do metal para se oxidar, mais nobre ele é. Assim, quando se forma uma camada de escória na superfície de uma liga metálica, os componentes menos nobres dessa liga tendem a concentrar-se na fase de cerâmica dessa escória. Por exemplo, quando se oxidam ligas de alumínio-magnésio-silício, a fase de cerâmica da escória tende a conter os compostos de óxido de magnésio e óxido de alumínio.
Como atrás se mencionou, as quantidades de magnésio da escória proporcionam um contaminante altamente eficiente para a oxidação do alumínio e, além disso, promove o molhamento do material de enchimento e do produto da reacção pelo metal original de alumínio. 0 silício, mais nobre, tende a concentrar-se no metal residual retido na escória. Além disso, quando o óxido de um metal nobre for posto em contacto com um metal fundido menos nobre, ele é tipicamente reduzido, formando o óxido do metal menos nobre e a liga entre o metal nobre reduzido e o conteúdo residual do metal menos nobre. Pode então formar-se compostos intermetálicos no interior da liga metálica, entre o metal mais nobre e o metal menos nobre. Por
exemplo, quando a escória da liga de cobre/f erro/níqtiel, contendo óxidos dos constituintes da liga, que forma a escória é posta em contacto com um corpo de metal original da alumínio fundido, o resultado é a formação de fase da cerâmica de alumínio-óxido e a liga metálica de alumínio/cobre/ferro/níquel. Formam-se precipitados intermetálicos de cobre/alumínio no interior da liga, quando do arrefecimento. Além disso, a redução do óxido d.o metal nobre proporciona uma fonte sólida de agente oxidante, que tende a promover a iniciação imediata e uniforme do processo de oxidação em fase de vapor.
A adição de elementos de liga, na fase de metal residual no produto compósito cerâmico, pode melhorar as propriedades do produto compósito, tais como a resistência, a manutenção da resistência com a variação da temperatura e a temperatura máxima de uso. Em alguns casos, é possível a substituição completa do metal original de alumínio com baixo ponto de fusão pelos metais com mais alto ponto de fu são, tais como o ferro,..o níquel, o cobre ou o silício.
A escória utilizada como fonte de material de enchimento para o produto compósito final é triturada até obter a dimensão das partículas desejada, por exemplo por moe dura por choques, por moinho de cilindros, por rotação, esmagamento ou outras técnicas convencionais, dependendo grandemente das dimensões das partículas desejadas e da composição do material policristalino. A escória triturada ou moída é calibra da e recuperada para ser usada como material de enchimento .Po. de ser desejável primeiro partir a escória em grandes pedaços de cerca de 6,35mm P/4) a 12,7mm (1/2'*) , por exemplo com um triturador de maxilas, um moinho de martelos, etc., e depois em partículas mais finas, de 50 mesh ou ainda mais finas, por exemplo por moedura por choques. 0 material em partículas é tipicamente, crivado para obter fracções com as dimensões d_e sejadas. Os materiais de enchimento apropriados podem ir desde as dimensões de 100 mesh até 500 mesh ou mais finos, conforme o produto compósito cerâmico a fabricar e à sua utilização final.
Como atrás se explicou, a escória pode conter componentes metálicos, tais como o metal de formação da escória não oxidada. A quantidade de metal pode variar numa ampla gama entre 30 a 60 por cento, em peso, e por vezes maior, dependendo grandemente do rendimento da operação de escumação do metal. Pode ser desejável separar pelo menos parte do metal, da porção de cerâmica da escória antes de utilizar o material como carga de material de enchimento. Esta separação pode convenientemente ser conseguida depois de a escória metalica ter sido triturada ou moída. A fase de cerâmica da escória é usual, mente mais facilmente fracturada do que o metal e, por conseguinte, pode ser possível, em alguns casos, separar parcialmen te os dois constituintes, por trituração e crivação. A fracção triturada que contém a maior quantidade de fase cerâmica (ou a escória triturada sem a separação do metal) pode ser depois tratada quimicamente, em uma ou várias fases para retirar o me
tal. Por exemplo, o material triturado primeiro pode ser lixiviado com ácido para retirar determinados metais (por exemplo o alumínio), lavado, depois lixiviado com solução cáustica para retirar outros metais (por exemplo o silício) , lavado novamente, recuperando-se uma escória relativamente sem metal.
Também qualquer metal não oxidado presente no material de enchimento de escória estará na forma de partículas. Se o metal formador da escória for o mesmo que o metal original ou tiver uma maior afinidade para o oxidante, isto é, se for menos nobre, esse metal sofrerá uma reacção de oxidação que deixa espaços vazios na matriz de cerâmica com dimensões correspondentes às das partículas de metal. Esses espaços vazios dispostos por toda a matriz de cerâmica podem ou não ser desejáveis, conforme as propriedades procuradas para o produto compósito e para o seu uso final. Se for desejável para o produto final uma grande percentagem volumétrica de espaços vazios, por exemplo para aumentar o isolamento térmico do produto compósito, seria vantajoso usar uma grande quantidade de material de enchimento contendo metal original não oxidado. Esta porosidade intrínseca pode ser limitada a uma porção do produto compósito apenas formando um leito do material de enchimento, compreendendo (1) material de enchimento com metal em partículas e (2) o material de enchimento relativamente puro (metal removido) ou material de enchimento proveniente de uma outra fonte.
A escória tem tipicamente uma composição variável conforme o precursor de liga metálica específico para a escória. A fim de utilizar tal escória como material de enchimento para um corpo compósito cerâmico, pode ser desejável *· 20 /
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controlar a sua composição. Isso pode ser feito por trituração da escória e por mistura da mesma em partículas finas para homogeneizar a sua composição. A composição é depois anali sada quimicamente e, se se desejar, é ajustada a uma composição pretendida pela adição de outros constituintes de composição conhecida, quer na forma de pó quer na forma líquida. A escória, agora de composição conhecida e controlada, pode ser misturada com outros materiais de enchimento tais como materiais em partículas, fibras, plaquetas, barras, fios emaranha dos, esferas, bolhas, lã metálica, arames, agregado, hastes, tecido de arame, bolinhas, tubos, fibra refractária, flocos, pós, corpos ocos, etc., e similares, para formar o corpo de material de enchimento permeável. Se se desejar, o corpo de material de enchimento permeável pode ser modelado para obter um pré-molde permeável.
Notar-se-á que, segundo a presente invenção, o oxidante de formação da escória pode ser substancialmente o mesmo ou diferente do oxidante utilizado para a produção do produto compósito cerâmico final. Isso pode ser desejável pelo facto de permitir o uso de um material de enchimento que tem as várias vantagens atrás enumeradas, mas o produto da reacção de oxidação é diferente na sua composição química. Por exemplo, segundo esta forma de realização, é possível fazer um corpo de material de enchimento de escória de alumina e formar o produto cerâmico por infiltração desse corpo com um produto da reacção de nitretação do metal original de alumínio, dando como resultado um produto compósito de matriz de nitreto de alumínio preenchida com alumina, como se descreve mais adiante mais completamente nos exemplos.
Embora a presente invenção esteja aqui descrita com ênfase especial dos sistemas em que se utiliza o alu mínio ou uma liga de alumínio como metal original e sendo a alumina o produto da reacção de oxidação pretendido, esta refe rência é apenas para fins exemplificativos, devendo entender-se que a presente invenção é adaptável, pela aplicação dos en sinamentos aqui dados, a outros sistemas em que se usam outros metais, tais como o estanho, o silício, o titânio, o zircónio, etc., como metal original. Além disso, o produto da reacção de oxidação pretendido pode ser um óxido, um nitreto, um boreto, um carboneto ou similares metálicos, do metal original.
Com um pouco mais de pormenor, o metal original e massa permeável do material de enchimento que compreende escória metálica, são colocados um junto do outro e orientados um em relação ao outro de modo que o crescimento do produto da reacção de oxidação, como atrás se descreveu, pode fazer-se num sentido dirigido para o material de enchimento a fim de o material de enchimento ou uma parcela do mesmo ser infiltrado pelo produto da reacção de oxidação em crescimento e nele penetrar. Este posicionamento e esta orientação do metal original e do material de enchimento um em relação ao outro podem conseguir-se simplesmente embutindo um corpo de metal original no interior de um leito do material de enchimento em partículas ou colocando um ou mais corpos de metal original no interior, sobre ou junto de um leito ou outra montagem de material de enchimento. A montagem é colocada de modo que uma orientação do crescimento do produto da reacção de oxidação atravesse os poros ou se infiltre em pelo menos uma porção do material de enchimento. 0 material de enchimento pode também compreender, por exemplo, pós ou outras partículas misturadas, agregado, fibras refractárias, túbulos, fios emaranhados, esferas, plaquetas ou similares ou uma combinação dos anteriores. Além disso, os materiais de enchimento apropriados podem incluir, por exemplo, óxidos, nitretos ou carbonetos metálicos, tais como alumina, óxido de magnésio, óxido de háfnio, óxido de zirconio, carboneto de silício, nitreto de silício, nitreto de zirconio, nitreto de titânio, etc., como se explicou nos pedidos de patente do mesmo proprietário.
conjunto do metal original do material de enchimento, disposto num recipiente refractário adequado, é posto num forno, na presença de um oxidante, tal como um oxidante gas£ so (por exemplo, ar). Este conjunto é aquecido até temperaturas abaixo do ponto de fusão do produto da reacção de oxidação, mas acima do ponto de fusão do metal original e que, por exemplo no caso do alumínio e utilizando ar como oxidante, será geralmente entre cerca de 850° e 145O°C e, mais preferivelmente, entre cerca de 900° e 135O°C. Dentro deste intervalo ou gama de temperaturas operáveis, forma-se um corpo ou porção de metal fundido e, em contacto com o oxidante, o metal fundido reagirá para formar uma camada de produto da reacção de oxidação. Por exposição continuada ao ambiente oxidante, é extraído progressivamente metal fundido para o interior e através de qualquer produto da reacção de oxidação formado anteriormente, no sentido do oxidante e orientando-se para a massa de material de enchimento adjacente e para o seu interior. Em contacto com o oxidante, o metal fundido reagirá para formar mais produto da reacção de oxidação adicional, continua a formar-se no interior da massa
oxidação progressivamente mais espesso enquanto que, optativamente, deixa constituintes metálicos dispersos no material policristalino do produto da reacção de oxidação. 0 processo da reac ção continua durante um tempo suficiente para que o produto da reacção de oxidação se infiltre pelo menos numa porção do leito, ou até ao limite desejado do pré-molde, formando assim o produto compósito cerâmico. Ώθνβ notar-se que, no processo segundo a presente invenção, embora a escória tipicamente mantenha uma certa quantidade de alumínio que não reagiu, a reacção de formação da matriz é primariamente a que se verifica entre o metal que se infiltra proveniente do corpo de metal original fundido e o oxidante fornecido. 0 material da matriz compósito policristalino resultante pode apresentar porosidade, que pode ser uma substitui, ção parcial ou quase completa da fase ou fases do metal, mas a percentagem volumétrica de espaços vazios dependerá grandemente de condições tais como a temperatura, o tempo, o tipo do metal original e as concentrações dos contaminantes. Tipicamente, nestas estruturas cerâmicas policristalinas, os cristalitos do pro duto da reacção de oxidação estão interligados em mais de uma dimensão, preferivelmente em três dimensões e o metal pode estar pelo menos em parte interligado.
Pode utilizar-se um oxidante sólido, líquido ou em fase de vapor, ou uma combinação de tais oxidantes, como atrás se observou. Por exemplo, os oxidantes em fase de vapor típicos incluem, sem limitação, o oxigénio, o azoto, um halogéneo, o enxofre, o fósforo, o arsénio, o carbono, o boro, o selénio, o telúrio e compostos e combinações dos mes- 24 mos, por exemplo sílica (como fonte de oxigénio), metano, oxigénio, etano, propano, acetileno, etileno, propileno (o hidrocarboneto como fonte de carbono) e misturas tais como ar, H2/H20 e C0/C02, sendo as duas últimas (ou seja, H2/H20 e C0/C02), utilizáveis para a redução da actividade do oxigénio do meio ambiente. Embora possam usar-se quaisquer oxidantes apropriados, descrevem-se adiante formas específicas de realização da presente invenção, com referência ao uso de oxidantes em fase de vapor. Se se usar um oxidante gasoso ou na forma de vapor, isto é, um oxidante em fase de vapor, o material de enchimento é permeável ao oxidante em fase de vapor de modo que por exposição do leito de material de enchimento ao oxidante, o oxidante em fase de vapor atravessa os poros do leito de material de enchimento para entrar em contacto com o metal fundido nele existente. 0 termo oxidante em fase de vapor signi^ fica um material vaporizado ou normalmente gasoso que proporciona uma atmosfera oxidante. Por exemplo preferem-se o oxigénio ou misturas gasosas contendo oxigénio (incluindo o ar) como oxidantes em fase de vapor, por exemplo no caso em que o alumínio é o metal original,sendo o ar usualmente mais preferido por razões óbvias de economia. Quando se identifica um oxidante como contendo ou compreendendo um gás ou vapor particular, isso significa um oxidante no qual o gás ou vapor identificado constitui o oxidante único, predominante ou pelo menos signifd. cativo para o metal original nas condiçães obtidas no ambiente oxidante utilizado. Por exemplo, embora o constituinte principal do ar seja o azoto, o conteúdo de oxigénio no ar será o único oxidante para o metal original, porque o oxigénio é um oxidante muito mais forte que o azoto. Portanto, o ar enquadra
- 25 -se na definição de oxidante gasoso contendo oxigénio” mas não na definição de oxidante gasoso contendo azoto”. Um exemplo de oxidante gasoso contendo azoto, segundo a definição usada aqui e nas reivindicações, é o gás de formação, que tipicamen te contém azoto mais ou menos 96 por cento, em volume de azoto e mais ou menos 4 por cento em volume de hidrogénio.
Quando se utiliza um oxidante sólido, ele está usualmente disperso por todo o leito de material de enchimento ou por uma porção do leito adjacente ao metal original na forma de um material em partículas misturado com o material de enchimento, ou talvez como coberturas nas partículas do material de enchimento. Qualquer oxidante sólido apropriado pode ser usado, incluindo elementos, tais como o boro ou o carbono, ou compostos redutíveis, tais como o dióxido de silício ou certos boretos de mais baixa estabilidade termodinâmica que o boreto produto da reacção do metal original. Por exemplo, quando se utiliza boro ou um boreto redutível como um oxidante sólido para um metal original de alumínio, o produto da reacção de oxidação resultante é boreto de alumínio.
Em alguns casos, a reacção de oxidação pode avançar tão rapidamente com um oxidante sólido que o produto da reacção de oxidação tenderia a fundir devido à natureza exotérmica do processo. Tal ocorrência poderia degradar a uniformidade microestrutural do corpo cerâmico. Esta reacção exotérmica rápida é impedida misturando na composição a escória relativamente inerte como material de enchimento que apresenta baixa reactividade. Um tal material de enchimento absorve o calor da reacção, para reduzir ao mínimo qualquer aceleração térmica.
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Outros materiais de enchimento inertes podem também ser combinados com o material de enchimento de escória triturada para modificar ainda mais as propriedades do produto compósito formado e/ou moderar mais o processo da reacção exotérmica.
Se se utilizar um oxidante líquido, cobre-se ou impregna-se todo ou uma parte do material de enchimento adjacente ao metal fundido, por exemplo por imersão no oxidante para impregnar o material de enchimento. A referência a um oxidante líquido significa um oxidante que é um líquido nas condições da reacção de oxidação, podendo assim um oxidante líquido ter um precursor sólido, tal como um sal que funde nas condições da reacção de oxidação. Como alternativa, o oxidante líquido pode ser um líquido precursor, por exemplo uma solução de um material que é utilizada para impregnar parte de ou todo o material de enchimento e que funde ou se decompõe nas condições da reacção de oxidação para proporcionar uma fracção oxidante apropriada. Os exemplos de oxidantes líquidos como aqui se definem incluem os vidros com baixo ponto de fusão.
Um processo particularmente eficiente para a prática da presente invenção implica a modelação do material de enchimento como um pré-molde com uma forma correspondente à geometria desejada do produto compósito final. 0 pré-molde pode ser preparado por um qualquer de uma ampla faixa de processos de modelação do corpo cerâmico tradicionais (tais como por compressão uniaxial, moldação com uma pasta fluída, moldação por sedimentação, moldação por fita, moldação por injecção, enrolamento de filamentos para materiais fibrosos, etc.), dependendo em grande parte das características do material de enchi
mento. A ligação inicial das partículas antes da infiltração, pode ser obtida por meio de uma sinterização ligeira ou mediante o uso de vários materiais ligantes, orgânicos ou inorgânicos que não interfiram com o processo ou contribuam com subprodutos indesejáveis para o material acabado. 0 pré-molde é fabricado com integridade de forma e resistência em verde suficientes e deve ser permeável ao transporte do produto da reacção de oxidação, preferivelmente com uma porosidade entre cerca de 5 θ 90%, em volume, e mais preferivelmente, entre cerca de 25 e 5θ%, em volume. Pode também usar-se uma mistura de materiais de enchimento e de granuiometrias. 0 pré-molde é depois posto em contacto com o metal fundido, em uma ou mais das suas superfícies, durante um tempo suficiente para completar o desenvolvimento e a infiltração do pré-molde até aos seus limites superficiais.
Gomo se descreve no pedido de patente americano também pendente, N? 861 024, depositado em 8 de Maio de 1986, e concedido ao mesmo cessionário, pode usar-se um meio de barreira em conjunção com o material de enchimento ou o pré-molde para inibir o crescimento do produto da reacção de oxidação para além da barreira. Um meio de barreira apropriado pode ser qualquer material, composto, elemento, composição ou similar que, nas condições do processo segundo a presente invenção, mantém uma certa integridade, não seja volátil e, preferivelmen te, é permeável ao oxidante em fase de vapor, se for utilizado, ao mesmo tempo que seja capaz de inibir, prejudicar, interromper, interferir com, impedir ou similar, localmente, o crescimento contínuo do produto da reacção de oxidação. Os meios de barreira apropriados para utilizar com metal original de alumí nio incluem o sulfato de cálcio (gesso de Paris), o silicato de
cálcio e o cimento Portland, ou suas misturas, que tipicamente são aplicados sob a forma de uma suspensão ou pasta fluida na superfície do material de enchimento. Estes meios de barreira podem também incluir um material combustível ou volátil apropriado que é eliminado pelo aquecimento, ou um material que se decompõe pelo calor, para aumentar a porosidade e a permeabilidade ao oxidante do meio de barreira. Além disso, o meio de bar reira pode incluir um material em partículas refractário apropriado para reduzir qualquer possível contracção ou fendilhação que, de outro modo, pode ocorrer durante o processo. È particularmente desejável que esse material em partículas tenha substancialmente o mesmo coeficiente de dilatação que o do led. to de material de enchimento ou de pré-molde. Por exemplo, se o pré-molde compreender alumina e a cerâmica resultante contiver alumina, o meio de barreira pode ser misturado com um material em partículas de alumina, desejavelmente com dimensões das partículas entre mais ou menos 20 e 1000 mesh, podendo no entanto ser ainda mais fino.
Como resultado de utilizar um pré-molde, especialmente em combinação com um meio de barreira, consegue-se uma forma nítida aproximada da desejada no produto final, reduzindo assim ao mínimo ou eliminando operações finais de maquinagem ou rectificação, dispendiosas.
Ainda como outra forma de realização da presente invenção e como se descreve nos pedidos de patente do mesmo proprietário, a adição de materiais contaminantes, em conjunto com o metal original pode influenciar favoravelmente o processo da reacção de oxidação. A função ou funções do ma29 /
/.. ·” terial contaminante pode depender de um certo número de factores sem ser o próprio material contaminante. Estes factores in cluem, por exemplo, 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 sob forma de liga, a concentração do contaminante, o ambiente oxidante e as condições do processo.
contaminante ou contaminantes utilizados em conjunção com o metal original (1) podem ser proporcionados como constituintes de liga do metal original, (2) podem ser aplicados a pelo menos uma porção da superfície do metal original ou (3) podem ser aplicados ao leito de material de enchimen to ou ao pré-molde ou numa parte dos mesmos, por exemplo a zona de suporte do pré-molde, ou podendo usar-se qualquer combinação de duas ou mais das técnicas (1), (2) e (3). Por exemplo, pode usar-se um contaminante sob forma de liga em combinação com um contaminante aplicado externamente. No caso da técnica (3), na qual se aplica um ou mais contaminantes ao leito de material de enchimento ou ao pré-molde, a aplicação pode fazer-se de qualquer maneira adequada, como por dispersão dos contaminantes por toda a massa do pré-molde ou por uma parte da mesma, sob a forma de revestimentos ou na forma de um material em partículas, preferivelmente, incluindo pelo menos uma porção do pré-molde adjacente ao metal original. A aplicação de qualquer dos contaminantes ao pré-molde pode também fazer-se aplicando uma camada de um ou mais materiais contaminantes sobre e no interior do pré-molde, incluindo qualquer das duas aberturas, interstícios,
passagens, espaços intermédios ou similares internos que o tor nam permeável. Uma maneira conveniente de aplicar qualquer dos materiais contaminantes é simplesmente embeber todo o leito num líquido (por exemplo uma solução) de material contaminante. Como atrás se expôs, o contaminante pode ser incluído no material de enchimento que se utiliza para a produção do produto compósito final. Pode proporcionar-se uma fonte de contaminante também, colocando-se um corpo rígido de contaminante em con tacto com pelo menos uma porção da superfície do metal original e do pré-molde e entre os mesmos. Por exemplo, pode colocar-se uma lamina fina de vidro contendo silício (utilizável como con taminante para a oxidação de um metal original de alumínio) so_ bre uma superfície do metal original. Quando o metal original de alumínio (que pode estar contaminado internamente com Mg) sobreposto pelo material contendo silício funde num ambiente oxidante (por exemplo, no caso do alumínio em ar, entre cerca de 85O°C e cerca de 145O°C, preferivelmente entre cerca de 900°C e cerca de 135O°C), verifica-se o desenvolvimento do material cerâmico policristalino no interior do pré-molde permeá vel. No caso em que o contaminante é aplicado externamente em pelo menos uma porção da superfície do metal original, a estrutura de óxido policristalino geralmente cresce no interior do pré-molde permeável substancialmente para além da camada de contaminante (isto é, para além da profundidade na camada de contaminante aplicada). Em qualquer dos casos, um ou mais dos contaminantes podem ser aplicados externamente à superfície do metal original e/ou ao pré-molde permeável. Além disso, os contaminantes sob a forma de liga no interior do metal original e/
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/ou aplicados externamente ao metal original podem ser aumenta dos por um ou mais contaminantes aplicados ao pré-molde. Assim, quaisquer deficiências de concentração dos contaminantes aplicados sob forma de liga no interior do metal original e/ou ex ternamente aplicados ao metal original, podem ser compensadas por concentração adicional do ou dos contaminantes respectivos aplicados ao pré-molde, e vice-versa.
Os contaminantes utilizáveis para um metal original de alumínio, em especial com ar como oxidante, incluem, por exemplo, o metal magnésio e o metal zinco, em combi^ nação um com o outro ou em combinação com outros contaminantes descritos mais adiante. Estes metais, ou uma fonte apropriada dos mesmos, podem ser usados como elementos de liga no interior do metal original à base de alumínio, com concentrações, para cada um deles, entre mais ou menos 0,1 e 10$, em peso, com base no peso total do metal contaminado resultante. Concentrações dentro desta faixa parecem iniciar o crescimento da cerâmica, melhorar o transporte do metal e influenciar favoravelmente a morfologia do crescimento do produto da reacção de oxidação resultante. A gama das concentrações para qualquer dos contaminantes dependerá de factores tais como a combinação de contaminantes e a temperatura do processo.
Outros contaminantes eficientes para promover o desenvolvimento do produto da reacção de oxidação policristalino para sistemas com metal original à base de alumínio, em especial quando se usa o ar ou o oxigénio como oxidante, são, por exemplo, o silício, o germânio, o estanho e o chumbo, especialmente quando utilizados em combinação com o magnésio
ou o zinco. Um ou mais destes outros contaminantes ou uma fon te apropriada dos mesmos são usados como elementos de liga no sistema de metal original de alumínio, com concentrações, para cada um deles, de cerca de 0,5 a cerca de 15$, em peso, da liga total; porém, obtém-se uma cinética do crescimento e uma morfologia do desenvolvimento mais desejáveis com concentrações de contaminantes na gama de cerca de 1% a cerca de 10$, em peso, da liga total do metal original. 0 chumbo como contaminante é em geral ligado ao metal original à base de alumínio, a uma temperatura de pelo menos 1000°C, de modo a compensar a sua baixa solubilidade no alumínio; contudo, a adição de outros componentes de liga, tais como estanho, geralmente aumentarão a solubilidade do chumbo e permitirão 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 de ar como oxidante, as combinações de contaminantes particularmente utilizáveis incluem (a) magnésio e silício ou (b) magnésio, zinco e silício. Em tais exemplos, uma concentração preferida do magné sio situa-se na 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, que podem ser utilizados individualmente ou em combinação com um ou mais outros contaminantes, conforme o oxidante e as condições do pro
- 33 cesso. 0 sódio e o lítio podem ser usados em quantidades muito pequenas, na gama das partes por milhão, tipicamente cerca de 100-200 partes por milhão, e cada um deles pode ser usado só ou em combinação com outro ou outros contaminantes. Elemen tos das terras raras, tais como o cério, o lantânio, o praseodímio, o neodímio e o samário podem também ser usados como con taminantes, e aqui de novo especialmente quando usados em combinação com outros contaminantes.
Como atrás se observou, não é necessário ligar qualquer material contaminante ao metal original. Por exemplo, aplicando selectivamente um ou mais materiais contaminantes, numa camada fina, em toda a superfície do metal original ou numa porção da mesma, promove-se o desenvolvimento local de cerâmica a partir da superfície do metal original ou de porções da mesma, que conduz ao crescimento de material cerâmi co policristalino no interior do pré-molde permeável, em zonas escolhidas. Assim, pode controlar-se o crescimento do material cerâmico policristalino mediante a disposição localizada, de um material contaminante sobre a superfície do metal original. 0 revestimento ou camada aplicada ao contaminante é fina em relação à espessura do corpo de metal original, e o desenvolvimento ou formação do produto da reacção de oxidação no interior do pré-molde permeável, estende-se até substancialmente para além da camada de contaminante, isto é, para além da profundidade na camada de contaminante aplicada. Essa camada de material contaminante pode ser aplicada por pintura, imersão, serigrafia, evaporação ou por aplicação de qualquer outro modo do material contaminante, na forma de líquido ou de pasta,
ou por deposição catódica ou simplesmente depositando uma camada de um contaminante sólido em partículas ou uma película sólida fina de contaminante na superfície do metal original. 0 material contaminante pode mas não necessita de incluir ligan tes, veículos, solventes, e/ou espessadores quer orgânicos,
quer inorgânicos. Mais preferivelmente, os materiais contaminantes são aplicados como pós à superfície do metal original ou dispersos através de pelo menos uma porção do material de enchimento. Um processo particularmente preferido para a aplicação dos contaminantes â superfície do metal original consiste em utilizar uma suspensão líquida dos contaminantes numa mistura de água/ligante orgânico, aspergida sobre a superfí cie do metal original para obter um revestimento aderente que facilite o manuseamento do metal original contaminado antes do processamento.
Os materiais contaminantes, quando utilizados externamente, são usualmente aplicados a uma porção de uma superfície do metal original como um revestimento uniforme na mesma. A quantidade de contaminante é eficaz numa ampla faixa relativamente à quantidade de metal original a que é aplicada e, no caso do alumínio, não tiveram êxito as experiên cias para identificar limites operáveis quer superior quer inferior, Por exemplo, quando se utiliza o silício na forma de dióxido de silício aplicado externamente como contaminante para um metal original à base de alumínio, utilizando ar ou oxigénio como oxidante, quantidades tão pequenas como 0,00003 gra ma de silício por grama de metal original ou cerca de 0,0001 grama de silício por centímetro quadrado da superfície exposta
do metal original, juntamente com um segundo contamiante com uma fonte de magnésio e/ou de zinco, produzem o fenómeno do crescimento da cerâmica policristalina. Constatou-se também que é possível obter uma estrutura de cerâmica, a partir de um metal original à base de alumínio e utilizando ar ou oxigénio como oxidante, usando MgO como contaminante numa quanti dade superior a mais ou menos 0,0008 grama de magnésio por grama do metal original a oxidar e superior a 0,003 grama de magnésio por centímetro quadrado da superfície do metal origi. nal sobre a qual o OMg é aplicado. Parece que, até certo pon to, um aumento da quantidade de materiais contaminantes diminuirá o tempo de reacção necessário para produzir o produto compósito cerâmico, mas isto dependerá de factores tais como tipo do contaminante, o metal original e as condições da reac ção.
Quando o metal original for alumínio contamina do internamente com magnésio e o meio oxidante for ar ou oxigénio, observou-se que o magnésio é pelo menos parcialmente oxidado fora da liga a temperaturas de cerca de 820 a 95θ°θ· Neste caso dos sistemas contaminados com magnésio, o magnésio forma um óxido de magnésio e/ou uma fase de espinela de aluminato de magnésio na superfície da liga de alumínio fundida e durante o processo do desenvolvimento tais compostos de magnésio permanecem primariamente na superfície do óxido inicial da liga de metal original (ou seja, a superfície de iniciação) na estrutura cerâmica em desenvolvimento. Assim, em tais sistemas contaminados com magnésio, produz-se uma estrutura â base de óxido de alumínio, além da camada relativamen- 36 /
te fina de espinela de aluminato de magnésio na superfície de iniciação. Se se desejar, esta superfície de iniciação pode ser facilmente retirada, seja por rectificação, maquinagem, polimento ou jacto de areia.
Constatou-se que os leitos de escória e os pré-moldes de alumínio são facilmente permeáveis ao desenvolvimento do produto da reacção de oxidação e aos oxidantes em fase de vapor, sendo portanto altamente apropriados para a utilização na formação de produtos compósitos de cerâmica pelo processo atrás descrito. Os constituintes substancialmente inertes da escória, tais como a alumina, são materiais de enchimento muito satisfatórios para incorporar nesses produtos. 0 metal que não reagiu inicialmente presente na escória é in£ fensivo, embora, como se afirmou, a formação da matriz cerâmi ca no processo segundo a presente invenção envolve principalmente ou primariamente a reacção do oxidante em fase de vapor com o metal original.
As vantagens de usar escória de metal como material de enchimento são que, em muitos casos ela contém substâncias susceptíveis de desempenhar a função de contaminantes e de pré-determinar as características do componente metálico do produto de cerâmica-metal. Utilizando constituintes da escória como contaminantes onde isso seja necessário, evita a adição de contaminantes, quer em liga no corpo do metal original, quer de algum outro modo. 0 metal que não reagiu presente na escória pode também transmitir uma ou mais características desejadas aos produtos resultantes, por exemplo dureza, resistência ã fractura, condutividade térmica ou
condutividade eléctrica. 0 tipo de escória utilizada pode ser escolhido pelos seus constituintes e, portanto, pela sua capacidade para aumentar as qualidades do metal original e influen ciar as propriedades e as características de custo do produto compósito resultante.
Uma outra vantagem é a molhabilidade inerente da escória pelo metal original e pelos produtos da reacção de oxidação. A molhabilidade do material de enchimento é uma condição necessária para a infiltração do material de enchimen to pelos produtos da reacção e para a formação de um produto compósito cerâmico e coeso. Os elementos encontrados tipicamen te na escória, tais como MgO e óxidos de metais alcalinos, são agentes de molhamento potentes nas condições do processo e no caso da utilização de metais de alumínio.
EXEMPLOS:
Enterrou-se um lingote de alumínio como metal original num leito de escória triturada obtida a partir de uma massa de alumínio fundido, que foi totalmente consumido pe la reacção de oxidação por aquecimento até 1550°C e manutenção a essa temperatura numa atmosfera de N2, deixando ficar uma ca vidade que corresponde essencialmente à forma do lingote de alumínio. Moeu-se a escória até obter dimensões das partículas de 65 mesh (Tyi erj.0 leito tinha sido infiltrado pelo produto da reajç ção de oxidação do lingote de alumínio original com o N^, tendo a análise por difracção de raios X, do produto compósito ce râmico resultante mostrado a presença de nitreto de alumínio e de espinela de alumina.
Procedeu-se a ensaios utilizando dois tipos
de escória moída com dimensões das partículas de 65 mesh (Tyler), sendo uma delas ume escória formada por alumínio 99,7% puro, fundido, submetido à cloração por um processo de lavagem convencional e a outra uma escória formada numa liga de Al-5% Mg. Em ambos os casos, o metal original foi alumínio e o oxidante em fase de vapor foi uma atmosfera de azoto. Com a escória de metal puro, o desenvolvimento do produto compósíL to verificou-se através de um volume do corpo de escória maior que no caso da escória proveniente da liga com 5% d® magnésio.
No primeiro destes ensaios foi enterrado um lingote de alumínio com 6,8 mm x 8 mm x 21 mm no centro de um cadinho com um diâmetro interno de 30 mm, num corpo de escória proveniente do alumínio 99,7% puro que enche o cadinho, e fez-se a sua nitretação a 155O°C durante oito horas com um caudal de azoto de 500 centímetros cúbicos por minuto. 0 azoto foi se co e desoxigenado. Depois do arrefecimento, observou-se uma cavidade no centro do leito de escória, e o leito tinha sido infiltrado por um produto da reacção de oxidação para fornecer um produto compósito segundo a presente invenção. A análise por difracção de raios X, mostrou a presença de nitreto de alumínio.
No último destes ensaios, usando a mesma escória e o mesmo caudal de azoto, enterrou-se um lingote de alu mínio, com 10 milímetros de diâmetro e 24 milímetros de altura num leito de escória no cadinho e fez-se a nitretação com o st!gúi»te programa de aquecimento: 1 hora a 700°C, 1 hora a 1100°C, 7 horas a 155O°C. Os resultados foram muito semelhan
tes ao ensaio anterior.
Deve entender-se que a presente invenção não se limita às características e formas de realização descritas anteriormente de maneira específica, mas sim que pode ser realizada de outras maneiras, sem nos afastarmos do seu espírito.
Claims (14)
1.- Processo para a produção de uma estrutura de cerâmica ou compósita de cerâmica auto-suportada, adaptada ou fabricada para ser usada como produto comercial compreenden do (1) uma matriz cerâmica obtida por oxidação de um metal original para formar um material policristalino, constituído essencialmente por (i) o produto da reacção de oxidação do referido metal original com um ou vários oxidantes e, optativamente, (ii) um ou vários constituintes metálicos; e (2) um ou vários materiais de enchimento incluídos pela referida matriz, caracterizado por compreender as fases de (a) orientar o referido metal original e uma massa permeável de carga do material de enchimento, um em relação ao outro, de maneira que a formação do referido produto da reacção de oxidação se faz no sentido da referida massa de material de enchimento e penetrando na mesma; e (b) aquecer o referido metal original até uma temperatura acima do seu ponto de fusão mas abaixo do ponto de fusão do referido produto da reacção de oxidação para formar um corpo do metal original fundido e fazer reagir o metal original fundido com os referidos um ou mais oxidantes, ã referida temperatura, para formar o referido produto da reacção de oxidação e, a ref£ rida temperatura, manter pelo menos uma porção do referido produto da reacção de oxidação em contacto com o referido corpo de metal fundido e com o referido oxidante e estendendo-se entre os mesmos, para arrastar metal fundido através do referido produto da reacção de oxidação e no sentido dos um ou vários oxidantes e penetrando na massa de material de enchimento adjacente, de maneira que o produto da reacção de oxidação continue a
IP51- formar-se dentro da massa de material de enchimento na interface entre os um ou vários oxidantes e o produto da reacção de oxidação anteriormente formado, e continuar a referida reacção por um tempo suficiente para infiltrar pelo menos uma porção do referido material de enchimento pelo referido material policristalino, e por incluir o aperfeiçoamento, que compreende a provisão de escórias obtidas a partir de uma operação de fusão de metal, a trituração das referidas escórias e a moldação das referidas escórias formando uma massa permeável de material de enchimento para uso na fase (a) anterior.
►
2,- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a referida escória ser obtida a partir de metais que formam escória, escolhidos no grupo constituído por: alumínio, titânio, zinco, magnésio e cobre ou ligas dos mesmos.
3. - Processo de acordo com a reivindicação 1 ou a reivindicação 2, caracterizado por a referida escória ser obti_ da por oxidação no ar dos referidos metais ou ligas.
4. - Processo de acordo com a reivindicação 1 ou a reivindicação 2, caracterizado por a referida escória ser obt/ da por contacto do metal formador de escória, com gases de nitrjí tação.
5. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a massa permeável de carga de material de enchimento ser um corpo de pré-rnolde permeável, compreendendo escó ria metálica.
6,- Processo de acordo com qualquer das reivindicações 1, 2, 3, 4 ou 5, caracterizado por a massa permeável de material de enchimento compreender uma mistura de escória e de um ou vários outros materiais de enchimento.
Processo de acordo com a reivindicação caracterizado por o outro material de enchimento ser escolhido no grupo constituído por materiais em partículas, ”fios emaranhados, plaquetas, esferas, bolhas, lã de metal, arames, agre gado, barras, tecido de arame, bolas, tubos, tecido de arame refiractário, fibras, tubulos, pés, flocos, tubos ocos ou misturas dos mesmos.
8. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o metal original ser alumínio,
9. - Processo de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por o oxidante ser uma atmosfera nitretante e o produto da reacção de oxidação ser o nitreto de alumínio,
10. - Processo de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por o oxidante ser um gás contendo oxigénio e o produto da reacção de oxidação ser alumina.
11. - Processo de acordo com qualquer das reivin dicações 1, 8, 9 ou 10, caracterizado por a referida escória con ter quantidades de magnésio, de silício, de ferro, de níquel ou misturas dos mesmos,
12. - Processo de acordo com qualquer das reivindicações 1, 2, 8, 9 ou 10, caracterizado por utilizar um material contaminante.
13. - Processo de acordo com a reivindicação 12, caracterizado por a referida escória conter o referido material contaminante.
14. - Processo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por o referido pré-molde permeável incluir* uma bar terminação do mesmo
15.- Processo de acordo com a reivindicação 1 ou a reivindicação 2, caracterizado por o referido oxidante ser escolhido no grupo constituído por um gás contendo oxigénio, um gás contendo azoto, um halogénio, enxofre, fósforo, arsénio, carbono, boro, selénio, telúrio, mistura H^/UgO, metano, etano, propano, acetileno, etileno, propileno, sílica e mistura CO/CO2 ou compostos ou misturas dos mesmos.
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