PT85715B

PT85715B - Processo aperfeicoado para a producao de estruturas compositas de ceramica

Info

Publication number: PT85715B
Application number: PT85715A
Authority: PT
Inventors: Ratnesh Kumar Dwivedi; Marc Stevens Newkirk; Danny Ray White
Original assignee: Lanxide Technology Co Ltd
Priority date: 1986-09-16
Filing date: 1987-09-15
Publication date: 1990-08-31
Also published as: DK481687A; FI873998A; EP0261066A2; PL267687A1; BR8704748A; EP0261066A3; AU603135B2; NZ221753A; FI88911C; EP0261066B1; BG48214A3; IE60251B1; IL83749A0; NO177002B; DK481687D0; NO177002C; PH25214A; NO873824D0; FI873998A0; IN168484B

Description

LANZIDE TECHNOLOGY COMPANY, LP

PROCESSO APERFEIÇOADO PARA A PRODUÇÃO DE

ESTRUTURAS COMPÓSITAS DE CERÂMICA

Referências a um pedido de patente relacionado

O presente pedido de patente ê uma adição ao pedido N2 908 123, depositado em 16 de Setembro de 1986, em no me de Larc S. llewkirk et al., e entitulado Processo aperfeiçoado para a produção de estruturas compósitas cerâmicas. Campo da Invenção

A presente invenção refere-se a um novo processo para a produção de uma estrutura compósita cerâmica. mais particularmente, a presente invenção refere-se a um aperfeiçoamento no processo para a produção de uma estrutura compósita cerâmica pelo desenvolvimento de um material policris talino que compreende um produto da reacção de oxidação a partir de um metal original no interior de uma massa permeável de material de enchimento que compreende partículas trituradas de um material policristalino produzido anteriormente essencialmente pelo mesmo processo genérico.

Eunda entos da Invenção

Nos últimos anos tem havido um interesse crescen te em substituir os metais por cerâmicas porque, relativamen

- 2 / . te a certas propriedades, as cerâmicas são superiores aos me tais. Existem, no entanto, várias limitações ou dificuldades conhecidas em fazer-se esta substituição, tais como a versatilidade de escala, a capacidade de produzir formas complexas, a satisfação das propriedades requeridas para a aplicação final e os custos. Muitas destas limitações ou dificuldades foram superadas pelas invenções descritas em pedidos de patente concedidos ao mesmo cessionário do presente pedido de patente e indicadas na sscção seguinte, que proporcionam novos processos para a produção de maneira fiável de materiais cerâmicos, incluindo compósitos modelados.

Descrição los pedidos de patente do mesmo proprietário

Os pedidos de patente do mesmo proprietário que se seguem descrevem novos processos para a produção de um cor po cerâmico auto-suportado por oxidação de um metal original para formar um produto da reacção de oxidação policristalino e, optativamente, com constituintes metálicos:

(A) Numero 818 943, depositado em 15 de Janeiro de 1986, que é uma adição do pedido de patente número 776 964 depositado em 17 de Setembro de 1985, que ê uma adição do pedido de patente número 705 787, depositado em. 26 de Fevereiro de 1985, que ê uma adição do pedido de patente americano número 591 392, depositado em 16 de Março de 1984, todos em nome de Marc S. Newkirk e outros, e intitulados Novos materiais cerâmicos e processos para a fabricação dos mesmos;

(B) Pedido de patente número 822 999, depositado em 27 de Janeiro de 1986, 0 que é uma adição do pedido de pa-

tente número 776 965, depositado em 17 de Setembro de 1985, que é uma adição do pedido de patente número 747 788, depositado em 25 de Junho de 1985, que é uma adição do pedido de patente número 632 636, depositado em 20 de Julho de 1984, todos em nome de Iíaro S. Newkirk e outros intitulados Processos de fabricação de materiais cerâmicos auto-suportados; e (C) Pedido de patente número 819 397, depositado em 17 de Janeiro de 1986, que é uma adição do pedido de patente número 697 876, depositado em 4 de Fevereiro de 1985, ambos em nome de Marc S. Newkirk e outrose.intitulados Artigos cerâmicos compósitos e processos de fabricação dos mesmos.

As descrições completas de todos os pedidos de patente do mesmo proprietário são aqui incorporados por referência.

Conforme se explica nestes pedidos de patente do mesmo proprietário, produzem-se novos materiais cerâmicos policristalinos ou materiais compósitos cerâmicos policristaliros pela reacção de oxidação entre um metal original e um oxidante em fase de vapor, isto ê, um material normalmente gasoso ou vaporizado, como atmosfera oxidante. 0 processo é apresentado genericamente, nos pedidos de patente do mesmo proprietário citados anteriormente (A), De acordo com este processo geral aquece-se um metal original, por exemplo alumínio, a 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 oxidante em fase de vapor para formar o produto da reacção de oxidação. A esta tem- Δ -

peratura, ο produto da reacção de oxidação, ou pelo menos uma parte do mesmo, estã em contacto com, e estende-se entre o corpo do metal original fundido e o oxidante, e metal fundido ê transportado através do produto da reacção de oxidação formado e 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. Enquanto o processo continua, o metal adicional é transportado através desta formação de produto da reacção de oxidação policristalino, fazendo assim crescer” continuamente uma estrutura cerâmica de cristalitos: interligados. 0 corpo cerâmico resultante pode conter constituintes metálicos, tais como, por exemplo, constituintes não oxidados do metal original e/ou espaços vazios. No caso de um óxido cano produto da reacção de oxidação, o oxigénio ou misturas gasosas contendo oxigénio (incluindo ar) são oxidantes apropriados, senio usualmente o ar preferido por razões óbvias de economia. Todavia, o termo oxidação é usado no seu aspecto mais amplo em todos os pedidos de patente do mesmo proprietário e no presente pedido de patente e significa a perla ou partilha de electrões por um metal para com um oxidante, que pode ser um ou mais elementos e/ou compostos. Consequentemente, outros elementos ou compostos diferentes do oxigénio podem servir de oxidante, como se explica adiante com mais pormenor.

Em certos casos, o metal original pode requerer a presença de um ou mais contaminantes a fim de influenciar favoravelmente ou facilitar o crescimento do produto da reacção de oxidação, sendo os contaminantes providos como consti

- 5 tuintes de liga do metal original. Por exemplo, no caso do alumínio como metal original e o ar como oxidante, os contaminantes, tais como o magnésio e o silício, para citar apenas dois de uma classe maior de materiais contaminantes são ligados com alumínio e utilizados como metal original. 0 pro duto da reacção de oxidação resultante compreende alumina, tipicamente alfa-alumina.

Os pedidos de patente (B) do mesmo proprietário citados anteriormente descrevem um desenvolvimento ulterior baseado na descoberta de que as condições de crescimento apropriadas, como atrás se descreveu, para os metais originais, qua necessitam de contaminantes, podem ser induzidos por aplicação de um ou mais materiais contaminantes na super fície ou superfícies do metal original, evitando assim a necessidade de o metal original ser ligado com os materiais contaminantes, por exemplo, metais tais como o magnésio, o zinco e o silício, no caso de ser o alumínio o metal original e ar o oxidante. Com este aperfeiçoamento, é possível utilizar os metais e ligas comercialmente disponíveis que de outro modo não conteriam ou teriam composições apropriadas contaminadas. Bsta descoberta é vantajosa também pelo facto de o crescimento da cerâmica poder ser conseguido em uma ou mais áreas seleccionadas da superfície do metal original, em vez de indiscriminadamente, tornando assim o processo mais eficiente na sua aplicação, por exemplo, contaminando apenas uma superfície, ou apenas uma ou mais porções da superfície do metal original.

Itfovas estruturas compósitas cerâmicas e processos de fabricação das mesmas são descritos e reivindicados nos p_e

didos de patente (0) do mesmo proprietário que utilizam a reacção de oxidação para produzir estruturas compósitas cera micas compreendendo um material de enchimento substancialmen te inerte infiltrado pela matriz cerâmica policristalina. Um metal original colocado adjacente a uma massa de material de enchimento parrávsl é aquecido para formar um corpo de metal original fundido, que se faz reagir com um oxidante em fase de vapor, como atrás se descreveu, para formar um produto da reacção de oxidação. Â medida que o produto da reacção de oxidação cresce e se infiltra no material de enchimento adja cente, metal original fundido ê transportado através do produto da reacção de oxidação formado anteriormente, para dentro da massa de material de enchimento e reage com o oxidante para formar produto da reacção de oxidação adicional na superfície do produto formado anteriormente, como atrás se descreveu. 0 crescimento resultante do produto da reacção de oxidação infiltra-se ou embebe-se no material de enchimento e dando como resultado a formação de uma estrutura compósita cerâmica de uma matriz cerâmica policristalina que se embebe no material de enchimento.

Assim, os pedidos de patente do mesmo proprietário citados anteriormente descrevem a produção de produtos da reacção de oxidação facilmente crescidos” até dimensões e espessuras desejadas, que até então se cria serem difíceis se não impossíveis de conseguir cora técnicas de processamento da cerâmica convencionais. A presente invenção prevê um outro aperfeiçoamento para uso na produção de produtos cerâ micos /

Sumário da Invenção

A presente invenção refere-se a um processo aper feiçoado para a produção de um compósito cerâmico policrista lino pela infiltração de uma massa ou leito permeáveis de ma terial de enchimento com uma matriz cerâmica compreendendo um produto da reacção de oxidação policristalino desenvolvido pela oxidação de um metal original fundido de acordo com os pedidos de patente do mesmo proprietário citados anterior mente. 0 material de enchimento compreende uma versão triturada de material policristalino também produzido de acordo com os pedidos, de patente do mesmo proprietário antes citados. A utilização de um material de enchimento que é una réplica substancial (mas não necessariamente uma réplica exacta) do material cerâmico produzido anteriormente ao produto compósito essencialmente pelo mesmo processo proporciona uma cinética reforçada e uma morfologia aperfeiçoada, como . . adiante se descreve com mais pormenor.

Na prática da presente invenção, aquece-se um me tal original na presença de um oxidante em fase de vapor para formar um corpo de metal fundido que fica em contacto com um leito de material de enchimento permeável. Porma-se produ to da reacção de oxidação à medida que o metal fundido contacta com o oxidante, mantendo-se as condições do processo para progressivamente transportar metal fundido através do produto da reacção de oxidação formado e no sentido do oxidante, de modo a continuamente formar produto da reacção de oxidação na interface entre o oxidante e produto da reacção de oxidação formado anteriormente* »' *

A fase de aquecimento ê conduzida a temperaturas acima do ponto de fusão do metal original mas abaixo da temperatura de fusão do produto da reacção de oxidação e continua-se o aquecimento durante um tempo que seja o necessário para produzir um corpo cerâmico policristalino com as dimensões desejadas. 0 corpo pode incluir um ou mais constituintes metálicos, tal como metal original não oxidado, ou espaços vazios, ou ambas as coisas.

aperfeiçoamento segundo a presente invenção é baseado na descoberta de que pode obter-se um compósito cera mico auto-suportado utilizando como material de enchimento uma réplica ou molde reduzidos cio material policristalino obtido de acordo com o processo de reacção de oxidação descrito neste sumário da invenção e, com mais pormenor, nos p£ lidos de patente Ao mesmo proprietário. 0 material policristalino assim obtido é moído, pulverizado, ou sujeito a trata mento similar, e coloca-se uma massa do material de enchimen to resultante, preferivelmente com a forma de um pré-molde permeável, adjacente a um segundo corpo de metal original e sujeita-se o conjunto resultante ao processo da reacção de oxidação. Continua-se este processo de reacção durante um tempo suficiente para infiltrar pelo menos uma parte .do leito de material de enchimento com o produto da reacção de oxidação policristalino formado a partir do segundo metal origi nal, de modo que pode obter-se uma estrutura compósita cerâmica com as dimensões desejadas.

liais especificamente, posiciona-se ou orienta-se um segundo metal original em relação à massa permeável de ma terial de enchimento de modo que a formação do produto da re

- 9 acção de oz<idação a partir do segundo metal original ocorrerá num sentido dirigido para a massa de material de enchimen to e para o seu interior. 0 crescimento do produto da reacção de oxidação infiltra ou embebe-se na massa de material de enchimento, formando desse modo a estrutura compósita de cerâmica desejada. 0 material de enchimento pode ser um agre gado solto ou ligado caracterizado por interstícios, aberturas ou espaços, e o leito ou massa ê permeável ao oxidante em fase de vapor e ao crescimento do produto da reacção de oxidação. Tal como é usado aqui e nas reivindicações anexas o termo material de enchimento pretende-se que signifique uma composição homogénea ou uma composição heterogénea constituída por dois ou mais materiais. Assim, o material de enchi mento pode ter com ele misturados um ou mais materiais de en chimento que podem ser preparados por processos convencionais. Além disso ainda, os metais originais e os oxidantes usados no processo para proporcionar a carga reproduzida podem ter substancialmente a mesma composição ou uma composição diferente da dos usados na produção do produto compósito final.

produto da reacção de oxidação cresce para o interior do material de enchimento sem rompimento ou desloca mento dos constituintes do material de enchimento resultando daí que se forma uma estrutura compósita cerâmica relativamente densa sem o uso de altas temperaturas e altas pressões. Além disso, o processo segundo a presente invenção reduz ou dispensa a necessidade de compatibilidade química e física, condições que são geralmente requeridas quando se utilizam técnicas de sinterização sem pressão na produção do produto

compósito cerâmico.

Os produtos compósitos cerâmicos que são produzi dos segundo a presente invenção apresentam características eléctricas, de desgaste, térmicas e estruturais altamente de sejáveis e, se necessário, podem ser maquinados, polidos, rectificados ou sujeitos a processos similares, de modo a proporcionar produtos que apresentam uma variedade de aplica ções industriais.

Tal como sao usados nesta memória descritiva e nas reivindicações anexas, os termos seguintes tem os seguin tes significados:

Cerâmica” nao deve ser entendido impropriamente como sendo limitado a um corpo cerâmico no sentido clássico, isto é, no sentido de que consiste em materiais inorgânicos e não metálicos, mas sim refere-se a um corpo que é predominantemente cerâmico, relativamente tanto â composição como às propriedades dominantes, embora o corpo possa conter quan tidades substanciais ou mínimas de um ou mais constituintes metálicos derivados do metal original ou reluzido a partir do oxidante ou de um contaminante, o mais tipicamente dentro de uma faixa de cerca de 1 a 40%, em volume, podendo no entanto incluir ainda mais metal.

Produto da reacção de oxidação significa um ou mais metais num estado de oxidação no qual um metal forneceu electrões ou partilhou electrões a ou com outro elemento, composto ou combinação das duas coisas. Consequentemente, um produto da reacção de oxidação, segundo esta definição, in clui o produto da reacção de um ou mais metais com um oxidan te tal como o oxigénio, o azoto, um halogéneo, o enxofre, o fósforo, o arsénio, o carbono, o boro, o selênio, o telúrio e compostos e combinações destes, incluindo, por exemplo, o metano, o oxigénio, etano, propano, acetileno, etileno, propileno e misturas tais como ar, Hg/HpO e CO/COg, sendo as duas últimas (isto ê, e CO/GC^) utilizáveis na redução da actividade do oxigénio do meio ambiente.

Oxidante”, oxidante em fase de vapor ou similar, que identifica o oxidante como contendo ou compreendendo um gás ou um vapor particulares, significa um oxidante no qual o gás ou vapor identificado é o oxidante único, ou predominante, ou pelo menos um oxidante significativo do metal original nas condições obtidas no meio oxidante utilizado. Por exemplo, embora o constituinte mais importante do ar seja o azoto, o teor de oxigénio do ar é o oxidante único para o metal original porque o oxigénio é um oxidante significantemente mais forte do que o azoto. 0 ar, portanto, enquadra-se dentro da definição de um oxidante gasoso contendo oxigénio mas não dentro da definição de um oxidante gasoso contendo azoto tal como estes termos são usados aqui e nas reivindicações. Um exemplo de um oxidante gasoso contendo azoto tal como aqui e nas reivindicações se usa este termo é o gás de formação, que contêm tipicamente cerca de 96 por cento, em volume de azoto e cerca de 4 por cento, em volume, de hidrogénio.

Metal original refere-se ao metal, por exemplo alumínio, que é o precursor para o produto da reacção de oxi dação policristalino, e inclui aquele metal corno um metal re / r lativamente puro, um metal disponível comercialmente, com im purezas, e/ou constituintes de ligas, ou uma liga na qual o precursor metálico é o constituinte principal; e quando um metal especificado ê mencionado como metal original por exem pio o alumínio, o metal identificado deve ser entendido com esta definição em mente, a menos que se indique o contrário pelo contexto.

Breve descrição dos desenhos

As fig. IA e 13 são fotografias mostrando a morfologia de crescimento externo de espécimes obtidos pela oxi dação de um metal original de liga de alumínio 380.1 no inte rior de leitos de partículas de, no caso da Fig. IA, um material de alumina desenvolvido e triturado e, no caso da fig. 1B, um material de alumina fundida.

As fig. 2A e 23 são fotografias mostrando a morfologia de crescimento externo de espécimes obtidos pela oxi dação de um metal original de alumínio 99,7% puro, em leitos de partículas de, no caso da fig. 2A, um material de alumina desenvolvido e triturado e, no caso da fig. 2B, um material de alumina fundida.

Descrição pormenorizada da invenção e formas de realização preferidas

Segundo a presente invenção para a produção de produtos compósitos cerâmicos auto-suportados, aquece-se um metal original, até obter um estado fundido, na presença de um oxidante em fase de vapor para formar um produto da reacção de oxidação que se infiltra num leito ou massa de mate- 13

rial de enchimento. 0 material de enchimento utilizado são partículas trituradas do material policristalino produzido anteriormente substancialmente pelo mesmo processo. Este material de enchimento apresenta uma afinidade para o produto da reacção de oxidação desenvolvido durante o processo para a produção do produto compósito final, aparentemente atribuí vel a uma afinidade entre substâncias semelhantes nas condições de processos; isto é, existe uma afinidade aparente para o produto da reacção em crescimento dando a sua replica. Devido a esta afinidade, observou-se uma cinética de crescimento melhorada e consequentemente o crescimento ocorre com velocidade um tanto maior em relação a substancialmente o mesmo processo que não utilize um material de enchimento reproduzido. Além disso, observou-se um aperfeiçoamento na mor fologia, que contribui para a produção de alta qualidade de um modelo de metal original pelo corpo cerâmico, como se ilustra completamente nos exemplos dados adiante e se descre ve no pedido de patente americano pendente número 823 542, depositado em 27 de Janeiro de 1986 e concedido ao mesmo ces sionário, e aqui incorporado por referencia.

Um factor que parece contribuir para estas carac. terísticas aperfeiçoadas é a presença de um material contaminante intimamente associado com o material de enchimento. Por exemplo, quando se forma alumina como produto da reacção de oxidação pela reacção de oxidação de alumínio em a,r, tipicamente é usado um material contaminante em associação com ou em combinação com o metal original de alumínio. 0 contaminante, ou uma sua parte, pode não se esgotar no sistema da

- 14 .. .* reacção e, portanto, dispersa-se por parte ou por todo o material policristalino. Em tal caso, o material contaminante pode concentrar-se na superfície de iniciação ou superfície externa do material policristalino, ou pode ligar-se intimamente com a microestrutura do produto da reacção de oxidação ou pode ligar-se com o componente do material policristalino. Quando o material policristalino é triturado para ser usado como material de enchimento este material contaminante incor porado como parte do maierial de enchimento serve agora como contaminante utilizável na produção lo produto compósito final. Por exemplo, o silício é um contaminante utilizável para a reacção de oxidação do alumínio em ar, e uma percentagem significante de silício ligar-se-á com a fase de metal do material policristalino. Quando usado como material de enchimento, este material policristalino contém um contaminante integrado para uso na fabricação de um produto compósito de alumina.

corpo cerâmico produzido como fonte de material de enchimento para o produto compósito final ê triturado até às dimensões desejadas por um moinho de martelos, um moinho de rolos, por trituração rotativa, ou outras técnicas convencionais, dependendo grandemente das dimensões das partículas desejadas e da composição do material policristalino. 0 material cerâmico moído ou triturado e classificado por di mensões e recuperado para ser usado como material de enchimento. Pode ser desejável primeiro fragmentar o corpo cerâmico em pedaços grandes, de cerca de 6,35 mm (1/4) a 12,7 mm (1/2) com um triturador de maxilas, um moinho de martelo^

- 15 ζ etc., e depois em partículas finas de 50 mesh, ou ainda mais finas por moagem por choque. 0 material em partículas é tipi camente crivado para obter fracções das dimensões desejadas. Os materiais de enchimento apropriados podem ter dimensões variáveis de 100 a 500 mesh ou mais finas conforme o produto compósito cerâmico a produzir e do seu uso final.

Como atrás se explica, o material policristalino formado pode conter componentes metálicos tal como o metal original não oxidado. A quantidade de metal pode variar numa ampla faixa de 1 a 40 por cento, em volume, e às vezes maior, conforme o grau de consumo (conversão) de metal original usado no processo. Pode ser desejável separar pelo menos algum metal, particularmente as sacções maiores, do produto da reacção de oxidação, antes de usar o material como material de enchimen to. Esta separação pode ser convenientemente efectuada depois de o material policristalino ter sido triturado ou moído. 0 produto da reacção de oxidação é usualmente mais facilmente fracturado do que o metal, e, portanto, pode ser possível· em alguns casos separar parcialmente os dois constituintes por trituração e crivaçao.

Também, qualquer metal original não oxidado presente no material de enchimento estará na forma de partículas e quando usado na formação de um produto final, será sujeito à reacção de oxidação deixando ficar espaços vazios na matriz cerâmica com dimensões correspondentes às partículas de metal. Tais espaços vazios dispostos através da matriz cerâmica podem ou não ser desejáveis, conforme as propriedades pretendidas para o produto compósito e o seu uso final.

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Se for desejável uma percentagem, em volume, de espaços vazios elevada para o produto final, por exemplo para aumentar o isolamento térmico do produto compósito, seria vantajoso usar um material de enchimento apresentando uma quantidade substancial de metal original não oxidado. Esta porosidade incorporada pode limitar-se a apenas uma porção do produto compósito pela formação de um leito de material de enchimento em camadas compreendendo (1) material de enchimento com metal original em partículas e (2) o material de enchimento relativamente puro (metal removido) ou material de enchimento proveniente de outra fonte.

Observar-se-á que, segundo a presente invenção, o metal original usado na produção lo material de enchimento pode ser substancialmente o mesmo ou diferente do metal original usado na produção do produto compósito cerâmico final. Isto pode ser desejável pelo facto de permitir o uso de um material de enchimento apresentando as várias vantagens atrás enumeradas, mas o produto da reacção de oxidação é diferente, na sua composição química, do produto da reacção de oxidação do produto final. Por exemplo, para esta forma de realização, é possível formar um corpo cerâmico de óxido de alumínio pelo processo da reacção de oxidação de um metal original de alumínio numa atmosfera, de oxigénio, para uso ulterior como um material de enchimento numa matriz cerâmica de alumina-nitreto formada pela reacção de oxidação pelo ar de um metal original de alumínio numa atmosfera de azoto.

Numa forma de realização alternativa, o material de enchimento utilizado na produção do produto compósito fi

nal é, por sua vez, derivado de um produto compósito cerâmico formado pelo processo da reacção de oxidação, e depois triturado e crivado para a dimensão desejada. 0 material de enchimento usado na fabricação do produto compósito cerâmico que é o material de enchimento precursor para o produto final, pode ser seleccionado para aumentar ou melhorar as propriedades do produto final. Isto pode conseguir-se escolhendo um material de enchimento de composição diferente para o produto da reacção de oxidação, de modo que o material de enchimento precursor resultante será constituído por ou conterá dois componentes que podem estar intimamente ligados como um micro-compósito, ha produção da estrutura compósita cerâmica de acordo com esta forma de realização, orientam-se uma primeira fonte de metal original e um leito ou massa permeáveis de material de enchimento um em relação ao outro, de modo que a formação do produto da reacção de oxidação se verifique num sentido dirigido do dito leito de material de enchimento e para o seu interior. Aquece-se a primeira fonte de metal original na presença de um oxi 'ante em.'fase de vapor para formar um corpo de metal original fundido que reage com o oxidante nesta faixa de temperaturas para formar um produto da reacção de oxidação. 0 produto da reacção de oxidação está em contacto com, e estende-se entre o corpo de metal fundi do e o oxidante, desse modo transportando progressivamente metal fundido através do produto da reacção de oxidação no sentido lo oxidante e para o interior da massa de material de enchimento, de modo que o produto da reacção de oxidação continua a formar-se na interface entre o oxidante e o pro-

duto da reacção de oxidação anteriormente formado. A reacção continua durante um tempo suficiente para infiltrar pelo monos uma parte do leito de material de enchimento com um material policristalino compreendendo produto da reacção de oxidação e, optativamente, um ou mais constituintes metálicos, tal como metal original não oxidado. 0 compósito policristalino resultante é triturado até uma dimensão das parti cuias apropriada para uso como um segundo material de enchimento, e orienta-se uma massa permeável deste segundo materi al de enchimento (que pode ter uma composição diferente) em relação a uma segunda fónte de metal original, de modo que a formação de um produto da reacção de oxidação ocorrerá num sentido dirigido para esta massa do segundo material de enchimento e para o seu interior. 0 processo da reacção de oxi dação é repetido corno atrás se expôs, e é continuado por um tempo suficiente, de modo que o produto da reacção de oxidação se infiltre pelo menos numa parte da massa do segundo ma terial de enchimento, formando assim o produto compósito cerâmico final.

As propriedades dos produtos compósitos cerâmicos segundo a presente invenção podem variar conforme factores tais como a escolha do metal original, a composição dos materiais de enchimento e o oxidante. As propriedades típicas procuradas para estes produtos compósitos, que podem ser pré-determinados incluem a dureza, a resistência à flexão, a resistência à fractura e o módulo de elasticidade. Os produtos compósitos geralmente -são adaptáveis ou fabricados, por exemplo por maquinagem, polimento, rectificação, etc.,

para serm usados como artigos de comércio que, tal como aqui são usados, se pretende que incluam sem limitação, corpos ce râmicos industriais, estruturais e técnicos para aplicações nas quais são importantes ou benéficas características eléc tricas de durabilidade, térmicas, estruturais ou outras pro priedades.

Embora a presente invenção seja aqui descrita com ênfase particular nos sistemas nos quais se usam o alumínio ou uma liga de alumínio como metal original e a alumina é o produto da reacção de oxidação pretendido, esta referência é apenas para fins de exemplo, e deve entender-se que a presente invenção é adaptável, por aplicação dos ensinamentos aqui expostos, a outros sistemas nos quais são usados outros metais, tais como estanho, silício,titanio, zirconio, etc., como metal original. Além disso, o produto da reacção de oxidação pretendido ê o oxido, o nitreto, o boreto, o carboneto e similares do metal original.

Com um pouco mais de pormenor quanto a certas fases do processo, o metal original (que pode ser contaminado, como atrás se explicou) cano o percursor para o produto da reacção de oxidação, é modelado com a forma de lingote, bilete, barra, placa ou similares e colocado num leito inerte, num cadinho ou outro recipiente refráctario. Este recipiente com o seu conteúdo é colocado num forno que é alimentado com um oxidante gasoso. Este conjunto é aquecido a temperaturas abaixo do ponto de fusão do produto da reacção de oxidação mas, abaixo do ponto de fusão do metal original, estando essa faixa de temperaturas,por exemplo, no caso do alumínio,

usando-se ar como oxidante em fase de vapor geralmente entre cerca de 850 e 145O°C e, mais preferivalemnte, entre cerca de 900 e 135O°C. Dentro deste intervalo ou faixa de temperaturas operáveis, forma-se um corpo ou porção de metal fundido que contacta com o oxidante, o metal funiido reagirá para for mar uma camada de produto da reacção de oxidação. Por exposi ção contínua ao meio oxidante, 0 metal fundido ê progressivamente transportado para 0 interior e através de qualquer produto da reacção de oxidação anteriormente formado no sentido do oxidante. Sm contacto com o oxidante, o metal fundido reagirá para formar mais produto da reacção de oxidação e formar assim progressivainente produto da reacção de oxidação prcgressivanente mais espesso enquanto que, optativamente, deixa constituintes metálicos dispersos através do material policristalino. A reacção do metal fundido com 0 oxidante continua até que 0 produto da reacção de oxidação tenha crescido até um limite ou fronteira desejado.

Na forma de realização na qual um compósito cerâmico é preparado para servir de material de enchimento precur sor, 0 metal original e uma massa permeável de material de en chimento são posicionados adjacentes um ao outro e orientados um em relação ao outro, de modo que o crescimento do produto da reacção de oxidação, como atrás se descreveu, será num sen tido dirigido para 0 material de enchimento, de modo que 0 material de enchimento, ou uma parte do mesmo, será infiltrada pelo crescimento do produto da reacção de oxidação e embebida pelo mesmo. Este posicionamento e orientação do metal original e carga um em relação ao outro podem ser obtidos simplesmente embutindo um corpo de metal original no interior / Λ de um leito de material de enchimento em partículas ou pelo posicionamento de um ou mais corpos de metal original no interior, sobre ou adjacente a um leito ou outro conjunto de material de enchimento. 0 conjunto é disposto de modo que uma direcção de crescimento do produto da reacção de oxidação atravessará os poros de pelo menos uma parte do material de enchimento ou infiltrar-se-á no mesmo. 0 material de enchimen to pode compreender, por exemplo, pôs ou outros materiais em partículas, agregados, fibras refractárias, túbulos, filamentos emaranhados, esferas, plaquetas ou similares, ou uma combinação das formas precedentes. Além disso, os materiais de enchimento apropriados podem incluir, por exemplo, óxidos, nitretos ou carbonetos tais como alumina, magnésia, háfnia, zircónia, carboneto de silício, nitreto de silício, nitreto de zircónio, nitreto de titanio, etc., como se explicou nos pedidos de patente do mesmo proprietário.

material policristalino resultante pode apresentar porosidade que pode ser uma substituição parcial ou quase completa da(s) fase(s) de metal, mas a percentagem, em. volume, de espaços vazios dependerá grandemente de condições tais como a temperatura, o tempo, o tipo de metal original e as concentrações dos contaminantes. Tipicamente, nestas estru turas cerâmicas policristalinas, os cristalitos do produto da reacção de oxidação estão interligados em mais de uma dimensão, preferivelmente em três dimensões, e o metal pode estar pelo menos parcialmente interligado.

material cerâmico policristalino (ou material compósito se for produzido) é agora triturado e dimensionado para uso como material de enchimento na produção do produto / / k______ compósito final. Este material de enchimento em partículas que pode ser misturado com ainda outros materiais de enchimento é modelado para formar um leito permeável, preferivelmente um pré-molde modelado. 0 leito e um segundo metal original são orientados um em relação ao outro de modo que a formação de um produto da reacção de oxidação ocorrerá num sentido orientado para o leito e para o interior deste. As fases do procesdo como atrás foram delineadas são essencialmente repetidas. 0 processo da reacção continua por um tempo suficiente para que o produto da reacção de oxidação se infiltre em pelo menos uma parte do leito, ou até a um limite desejado do pré-molde, formando-se assim o compósito cerâmico.

Um processo particularmente eficaz para a realização prática da presente invenção implica a modelação do material de enchimento com a forma de um pré-molde com uma forma correspondente à geometria desejada do produto compósito final. 0 pré-molde pode ser preparado por um processo qualquer de ampla gama de processos de modelação de corpos cerâmicos convencionais (tais como prensagem uniaxial, prensagem isostâtíca,: moldação por pasta fluida, moldação por sedimentação, moldação por fita, moldação por injecção, fiação de filamentos para materiais fibrosos, etc.) dependendo grandemente das características do material de enchimento. A ligação inicial das partículas antes da infiltração pode ser obtida através de sinterização ligeira ou pelo uso de vários materiais ligantes inorgânicos ou orgânicos que não interferem com o p.rocesso nem contribuem com subprodutos indesejáveis para o material acabado. 0 pré-molde é fabricado para possuir uma integridade de forma e uma resistência em verde suficien-

tes, e deve ser permeável ao transporte de produto da reacção de oxidação tendo preferivelmente uma porosidade entre cerca de 5 e 90%, em volume, e mais preferivelmente entre cerca de 25 e 50%, em volume. Pode também usar-se uma mistura de materiais de enchimento e de granulometria. 0 prê-molde é depois posto em contacto com metal original fundido em uma ou mais das suas superfícies durante um tempo suficiente para completar o crescimento e a infiltração do pré-molde até aos seus limites superficiais.

Como se descreve no pedido de patente americano pendente número 861 024, depositado em 9 de Maio de 1986, e concedida apmestro cessionário, pode usar-se um dispositivo de barreira em conjunção com o material de enchimento ou prê-mol de para inibir o crescimento ou desenvolvimento do produto da reacção de oxidação para além da barreira. 0 dispositivo de barreira adequado pode ser qualquer material, composto, elemento, composição ou similares, que, nas condições do processo segundo a presenta invenção, mantenha alguma integridade, não seja volátil e preferivelmente seja permeável ao oxidante em fase de vapor, ao mesmo tempo que é capaz de inibir, contaminar, interromper, interferir com, impedir ou ter uma acção similar localmente no crescimento continuado do produto da reacção de o.ridação. As barreiras adequadas para usar com metal original de alumínio incluem 0 sulfato de cálcio (gesso de Paris), 0 silicato de cálcio, o cimento portland e misturas dos mesmos, os quais tipicamente são aplicados como uma pasta à superfície do material de enchimento. Este dispositivo de barreira também pode incluir um material combustível ou volátil apropriado, que é eliminado no aquecimento ou um mate

- 24 rial que se decomponha no aquecimento, de modo a aumentar a porosidade e a permeabilidade do dispositivo de barreira. Além disso, o dispositivo de barreira pode ainda incluir uni material refractário em partículas adequado para reluzir qual quer possibilidade de contracção ou fendilhamento que, de outro modo, pode ocorrer durante o processo. Um tal material em partículas apresentando substancialmente o mesmo coeficiente de dilatação que o leito de material do enchimento ou o pré-molde é especialmente desejável. Por exemplo, se o pré-molde for constituído por alumina e a cerâmica resultante for constituída por alumina, a barreira pode ser misturada com alumina em partículas, desejavelmente apresentando dimensões das partículas de cerca de 20-1000 mesh, podendo no entanto ser ainda mais fina. Outras barreiras adequadas incluem revestimentos de cerâmica ou metal refractários que são abertos em pelo menos uma extremidade para permitir que um oxidante em fase de vapor atravesse os poros do material de enchimento e entre em contacto com o metal original fundido.

Como consequência do uso de um pré-molde, especialmente em combinação com um dispositivo de barreira, consegue-se obter uma forma nítida, minimizando ou eliminando desse modo operações de maquinagem ou rectificação finais dispen diosas.

Como outra forma de realização da presente invenção e como se explicou nos pedidos de patente do mesmo propri etário, a adição de materiais contaminantes em conjunção com o metal original pode influenciar favoravelmente o processo da reacção de oxidação, A função ou funções do material conta minante dependem de um certo número de factores que não o pró.

ί > prio material contaminante. Estes factores incluem, por exemplo, o metal original particular, o produto final desejado, a combinação particular de contaminantes quando se usarem dois ou mais contaminantes, o uso de um contaminante externamente aplicado em combinação com um contaminante de liga, a concentração do contaminante, o meio oxidante e as condições do pro cesso.

contaminante ou contaminantes usados em conjunção com o metal original (1) podem ser providos como constituintes de liga do metal original, (2) podem ser aplicados a pelo menos uma parte da superfície do metal, original, ou (3) podem ser aplicados ao leito de material de enchimento ou ao pré-molde ou a uma parte destes, 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, um contaminante de liga pode ser usado em combinação com um contaminante aplicado externamente. No caso da técnica (3), na qual um ou mais contaminantes são aplicados ao leito de material de enchimento ou ao pré-molde, a aplicação pode ser efe£ tuada de qualquer maneira adequada, tal como por dispersão dos contaminantes, por uma parte ou por toda a massa do pré-molde como revestimentos ou em forma de partículas, preferivelmente incluindo pelo menos uma parte do pré-molde adjacente ao metal-original. A aplicação de quãsquer dos contaminantes ao pré-molde pode também ser efectuada por aplicação de uma camada de um ou mais materiais contaminantes sobre e no interior do pré-molde, incluindo quaisquer das suas aberturas, interstícios, passagens, espaços ou similares internos que o tornam permeável. Uma maneira conveniente de aplicar

-- L· / » qualquer dos materiais contaminantes e simplesmente embeber a totalidade do leito com um líquido (por exemplo, uma solução) do material contaminante. Como atras se explicou, o contaminante pode ser integrado no material de enchimento usado na produção do produto compósito final. Uma fonte de contaminante pode também ser proporcionada pela colocação de um corpo rígido de contaminante em contacto com e entre pelo menos uma parte da superfície do metal original e o pré-molde. Por exemplo, pode colocar-se uma placa de vidro fina contendo silício (utilizável como contaminante para a oxidação de um metal original :le alumínio) sobre uma superfície do metal original. Quando o metal original de alumínio (que pode estar contaminado internamente com Hg), tendo sobre si o material contendo silício, funde num meio oxidante (por exemplo, no caso de alumínio em ar, entre cerca de 850°C e cerca de 145O°C, preferivelmente cerca de 900°C e cerca de 135O°O), verifica-se o crescimento do material cerâmico policristalino no interior do pré-molde permeável. Ho caso de o contaminante ser aplicado externamente a pelo menos uma parte 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 da camada de contaminante aplicada). Em qualquer caso, um ou mais dos contaminantes podem ser aplicados externamente â superfície do metal original e/ou do pré-molde permeável. Além disso, os contaminantes de liga no interior •lo metal original e/ou aplicados externamente ao metal original podem ser aumentados pelo(s) contaminante(s) aplicado(s) ao pré-molde. Assim, quaisquer deficiências de concentração

- 27 dos contaminantes de liga no metal original e/ou aplicados externamente ao metal original podem ser aumentadas pela concentração adicional do(s) contaminanteÇs) respectivo(s) aplicados ao pré-molde e vice-versa.

Os contaminantes utilizáveis para um metal original de alumínio, particularmente com ar como oxidante, incluem, por exemplo, o magnésio, o zinco e o silício, em combinação uns com os outros, ou em combinação com outros contaminar, tes descritos mais adiante. Estes metais, ou uma fonte adequa da dos metais, podem formar liga com o metal original à base de alumínio em concentrações, para cada um deles, entre cerca de 0,1 e 10%, em peso, com base no peso total do metal contaminado resultante. Concentrações dentro desta faixa parece iniciarem o crescimento da cerâmica, melhorarem o transporte de metal e influenciarem favoravelmente a morfologia de crescimento do produto da reacção de oxidação resultante, A faixa de concentrações para qualquer contaminante dependerá de factores tais como a combinação de contaminantes e a temperatura do processo.

Outros contaminantes que são eficientes na promoção do crescimento do produto da reacção de oxidação policris talino, para sistemas de metal original â base de alumínio são, por exemplo, o germânio, 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 usados em liga no sistema de metal origins.1 de alumínio em concentrações, para cada um deles, de cerca de 0,5 a cerca de 15%, em peso, da liga total; contudo, obtém-se uma cinética e uma morfologia de crescimento mais desejáveis

com concentrações de contaminantes na faixa de cerca de 1 a 10%, em peso, da liga de metal original total. 0 chumbo como contaminante ê geralrnente usado como elemento de liga no metal original à base de alumínio, a uma temperatura de pelo menos 1000°C, de modo a compensar a sua baixa solubilidade no alumínio; no entanto, a adição de outros componentes de liga, tal como o estanho, aumentará geralmente a solubilidade do 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 ar como oxidante, as combinações particularmente utilizáveis de contaminantes incluem (a) magnésio e silício ou (b) magnésio, zinco e silício. Em tais exemplos, uma concentração preferida de magnésio encontra-se dentro da faixa de cerca de 0,1 a cerca de 3%, om peso, para o zinco, na faixa de cerca de 1 a cerca de 6%, em peso, e para o silício na faixa 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 usados individualmente ou em combinação com um ou mais outros contaminantes, conforme o oxidante e as condições do processo. 0 sódio e o lítio podem ser usados em quantidades muito pequenas na faixa das partes por milhão, tipicamente cerca de 100-200 partes por milhão, podendo cada um deles ser usado só. zinho ou juntos, ou em combinação com outro(s) contaminante( s). Elementos das terras raras tais como o cério, o lantânio, o praseodímio, o neodímio e samário são também contaminantes utilizáveis, também aqui especialmente quando usados em combinação com outros contaminantes.

Como atrás se notou, não é necessário introduzir qualquer material contaminante como liga no metal original. Por exemplo, a aplicação selectiva de um ou mais materiais contaminantes numa camada fina em toda ou numa parte da súper fície do metal original possibilita o crescimento local da ce râmica a partir da superfície do metal original ou de partes da mesma e presta-se ao crescimento do material cerâmico poli cristalino no interior de um leito ou num pré-molde permeáveis em áreas seleccionadas. Assim, o crescimento do material cerâmico policristalino pode ser controlado pela colocação lo calizada do material contaminante na superfície lo metal original. 0 revestimento ou camada de contaminante é fino em relação à espessura do corpo de metal original e o crescimento ou formação do produto da reacção de oxidação para o interior do leito ou pré-molde permeáveis estende-se substancialmente para além da camada de contaminante, isto é, para além da pro fundidade da camada de contaminante aplicada. Tal camada de material contaminante pode ser aplicada por pintura, imersão, serigrafia, evaporação ou por aplicação do material contaminante sob a forma de ou de pasta, por outro processo, ou por deposição catódica, ou pela simples deposição de urna camada de um contaminante em partículas sólido ou uma placa ou película fina de contaminante sólido na superfície do metal original. 0 material contaminante pode, mas não necessariamente, incluir ligantes, veículos solventes, e/ou espessadores orgânicos ou inorgânicos. Hais preferivelmente, os materiais con/ ζ

-30-( / .W taminantes são aplicados como pôs à superfície do metal original ou dispersos por pelo menos uma parte do material de enchimento. Um processo particularmente preferido de aplicação de contaminantes à superfície do metal original é utilizar uma suspensão líquida dos contaminantes numa mistura água/ligante orgânico pulverizada sobre uma superfície do metal original, a fim de obter um revestimento aderente que facilita o manuseamento do metal original contaminado antes do processamento.

Os materiais contaminantes, quando usados externamente são aplicados usualmente a uma porção de unia superfície do metal original como um revestimento uniforaie. A quanti dade de contaminante è eficaz numa faixa ampla relativamente à quantidade de metal original â qual é aplicado e, no caso de alumínio, falhai® as.esperiências para tentar identificar 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 â base de alumínio, usando ar ou oxigénio como oxidante, quantidades tão baixas como cerca de 0,00003 gramas de silício por centímetro quadrado de superfície exposta de metal original, ou cerca de 0,0001 grama de silício por centímetro quadrado d© superfície exposta de metal original, juntamente com um segundo contaminante com uma fonte de magnésio e/ou zinco, produzem o fenómeno de crescimento do produto cerâmico policristalino. Também se verificou que ê possível obter uma estrutura cerâmica a partir de um metal original de alumínio contendo silício usando ar ou oxigénio como oxidante, utilizando LlgO como contaminante numa quantidade maior do que cer.# ff (

- 31 Χ-χ ca de 0,0008 grama de Kg por grama de metal original a oxidar e maior do que 0,003 grana de Mg por centímetro quadrado de superfície de metal original na qual o MgO ê aplicado. Parece que, até certo ponto, um aumento na quantidade de materiais contaminantes pode diminuir o tempo de reacção necessário para produzir o produto compósito cerâmico, mas isto dependerá de factores tais como tipo de contaminante, o metal original e as condições da reacção.

ITos casos em que o metal original é alumínio contaminado internamente com magnésio e o meio oxidante ê ar ou oxigénio, foi observado que o magnésio ê pelo menos parcialmente oxidado saindo da liga a temperaturas de cerca de 820 a 95O°C. Em tais casos de sistemas contaminados por 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 de crescimento tais compostos de magnésio permanecem primariamente na superfície de óxido inicial da liga de metal original (isto é, a superfície de iniciação) na estrutura cerâmica em crescimento. Assim, em tais sistemas contaminados com magnésio, produz-se uma estrutura à base de óxido de alumínio separada da camada relativamente fina de espinela de aluminato de magnésio na superfície de iniciação. Quando se desejar, esta superfície de iniciação pode ser facilmente removida por rectificação, maquinagem, polimento ou aplicação de um jacto de areia.

Os exemplos seguintes destinam-se a ilustrar os processos e resultados da presente invenção.

Exemplo 1

Pabriceim-íE materiais de enchimento para os produtos compósitos cerâmicos desenvolvidos segundo a presente invenção, por trituração e moagem dos corpos cerâmicos preparados de acordo com os processos dos pedidos de patente do mesmo proprietário. Especificamente, converteram-se em cerâmica barras de uma liga de alumínio comercial (uma versão levemente impura da liga 380.1, descrita mais adiante) por oxidação no ar a 1080°C durante 72 horas, tempo suficiente para completar a reacção do metal original de alumínio. Durante este processo, as barras foram suportadas em leitos de partículas de óxido de alumínio (ITorton E-l Alundum, dimensões das partículas de 90 mesh) tendo a oxidação ocorrido a partir da superfície exposta do metal no sentido do ar atmosférico. Após arrefecimento até à temperatura ambiente, separaram-se as peças cerâmicas desenvolvidas de quaisquer partículas aderentes soltas do leito, da película fina de óxido que se desenvolveu nas superfícies nao expostas do metal, e de qualquer metal residual que fica no leito.

Converteram-se estas peças cerâmicas desenvolvidas em partículas para serem usadas como um material de enchi mento compósito, por uma combinação de trituração e moagem. Especificamente, os materiais foram primeiro triturados até ume. dimensão máxima de partículas de 6,35 m (1/4) por um tri turador de maxilas e depois reluzidos ainda mais por moagem vibratória a seco durante 24 horas. 0 pó resultante foi penei rado para separar a fraeçao de dimensões -100/+200 mesh, para a aplicação no material de enchimento compósito.

Como material de controlo ou comparação, trituraram-se partículas de alumina fundida (Norton 38 Alundum) originalmente com partículas de dimensões de 14 mesh num tritura dor de rolos, moeram-se num moinho de bolas a seco e crivaram -se para separar a fracção com dimensões de -100/+200 mesh, isto é, a fracção com as mesmas dimensões que se escolheram para o material de enchimento desenvolvido e triturado.

Prepararam-se corpos compósitos cerâmicos usando os dois materiais de enchimento diferentes para fins de comparação. Encheram-se duas barças de alumina altamente refractâria inicialmente até uma profundidade de aproximadamente

12,7 mm (1/2”) com uma camada nivelada de Wollastonite, um material que actua como uma barreira para o processo da reacção de oxidação. Colocou-se uma barra de 22,86 z 5,08 x 1,27 cm (9” x 2” x 1/2”) de liga de alumínio 380.1 no topo da camada de Wollastonite em cada barca. Esta liga contém, além de alumínio, nominalmente (em peso) cerca de 7,5-9,5% de silício, 3,0-4,0% de cobre, inenos de 2,9% de zinco, menos de 1,0% de ferro, menos de 0,5% de manganês, menos de 0,5% de níquel, menos de 0,35% de estanho e menos de 0,1% de magnésio, tendo-se contudo verificado que outras amostras do lote de liga 380.1 usado neste trabalho continham aproximadamente 0,17 - 0,18% de magnésio, um desvio potencialmente importante da especificação nominal, já, que o magnésio é um contaminante ou promotor comprovado da reacção de oxidação. Envolveram-se depois as barras de liga por todos os lados, excepto a parte inferior com partículas dos materiais de enchimento até uma, profundidade de pelo menos cerca de 6,35 mm (1/2”), utilizando numa das barças o material de enchimento desenvolvido e tritu-

- 34 rado e na outra o material de enchimento de alumina fundida.

Colocaram-se as barças refractárias, preenchidas como se descreveu atrás num forno no ar e aqueceram-se até uma temperatura de 1000°C usando um ciclo de acendimento que inclui uma variação em rampa durante 5 horas, urna manutenção à mesma temperatura durante 60 horas e um período de arrefecimento de 5 horas no forno. Depois, separou-se o produto compósito cerâmico desenvolvido da barreira e dos restantes materiais do leito, e retiraram-se quaisquer partículas soltas aderentes por aplicação ligeira de um jacto de areias.

A análise dos dados do ganho de peso para as duas amostras, considerado como a variação de peso da barca refrac tária e lo seu conteúdo dividida pelo peso inicial de liga de alumínio, indica que se verificou aproximadamente a mesma quan tidade de reacção nos dois materiais de enchimento. Especificamente, a captação de oxigénio foi de 59% no caso do material de enchimento desenvolvido e triturado e 56% para, o material de enchimento de alumina fundida. Contudo, como mostra uma comparação das fig. IA e 1B, o crescimento para, o interior do material de enchimento desenvolvido e triturado foi significativamente mais uniforme, o que ê uma vantagem importante do processamento.

Uma comparação das propriedales mecânicas obtidas em espécimes provenientes dos dois materiais diferentes também revela diferenças significantes como se resume no Quadro 1, Neste quadro, o módulo de elasticidade foi determinado por um processo de velocidade do som, a resistência à fractura foi medida num ensaio convencional de entalhe Chevron, e o módulo de ruptura foi determinado em flexão em. quatro pontos.

- 35 Os dados do quadro mostram uma clara superioridade das propriedades mecânicas do material preparado por crescimento para o interior de um material de carga desenvolvido e triturado.

Quadro 1.	Comparaçao de Propriedades
	Material de enchimento
	Desenvolvido e	Alumina
Propriedade	Triturado	Fundida
Dureza
(Escala Rockwell A)	84	71
Módulo de Elasticidade (GPa)	316	202
Resistência à Fractura (MPa-m¹/²)	4,67	2,74
Módulo de Rotura (MPa)	256	67
Exemplo 2
Repetiu-se	0 proceiirnento do Exemplo 1	exactamen-
te como se descreveu, excepto que o crescimento dos	3 corpos

compósitos cerâmicos finais foi realizado usando alumínio 99,7% puro como metal original em vez da liga 380.1 descrita no Exemplo 1. Neste caso, o crescimento ocorreu facilmente para o interior do material de enchimento desenvolvido e triturado, produzindo um ganho de peso (medido como no Exemplo 1) de 65% e uma morfologia de crescimento totalmente uniforme, como mostra a fig. 2A. Em con.tro.ste, nenhum crescimento ocorreu no material de enchimento de alumina fundida e, para esta espécime, representada na fig. 2B, o ganho de peso foi negati vo, reflectindo presumivelmente a eliminação de quantidades mínimas de constituintes voláteis da barca e dos materiais 3o leito. Assim, neste exemplo, o crescimento da. matriz cerâmica para o interior do leito de material de enchimento desenvolvi do e triturado foi obviamente favorecido em relação ao cresci mento para o interior de um leito convencional de partículas de alumina fundida. As propriedades mecânicas do produto compósito obtido pelo crescimento para o interior do material de enchimento desenvolvido e triturado foram muito semelhantes, ou levemente superiores, às obtidas no material com o mesmo material de enchimento produzido como se descreve no Exemplo 1.

Claims

1,- Processo para a produção de um corpo compósito cerâ mico auto-suportado compreendendo (i) uma matriz de cerâmica obti_ da como produto da reacção de oxidação de um metal original com um oxidante em fase de vapor e (ii) um material de enchimento infiltrado pela referida matriz cerâmica, caracterizado por compr£ ender as fases de (a) aquecimento de uma primeira fonte de metal original na presença de um oxidante em fase de vapor para formar um corpo de metal original fundido e a reacção do referido metal original fundido com o referido oxidante a uma temperatura para formar um produto da reacção de oxidação, estando esse produto situado entre e em contacto com o referido corpo de metal original fundido e o referido oxidante; (b) manutenção da referida tem peratura para arrastar progressivamente metal fundido através do referido produto da reacção no sentido do referido oxidante de modo que o produto da reacção de oxidação continue a formar-se na interface entre o oxidante e o produto da reacção formado anteriormente ; (c) continuação da referida reacção durante um tempo suficiente para produzir um material policristaliino que compreen. de o produto da reacção de oxidação e, optativamente, um ou mais constituintes metálicos; (d) redução do referido material policristalino a partículas com dimensões para ser usado como material de enchimento e a formação de uma massa permeável do referi, do material de enchimento em partículas; (e) orientação de uma segunda fonte de metal original e a referida massa permeável do referido material de enchimento em partículas um em relação ao outro de modo que a formação de um produto da reacção de oxidação

-38se verifique num sentido dirigido para o interior da referida massa de material de enchimento em partículas; (f) repetição das fases (a), (b) e (c) anteriores do processo com a segunda fonte de material original; e (g) continuação da referida reacção durante um tempo suficiente para que o produto da reacção de oxidação se infiltre em pelo menos uma porção da referida massa de material de enchimento em partículas, formando assim o referido corpo compósito cerâmico.

2,- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteH zado por a referida primeira fonte e a referida segunda fonte de metal original compreenderem um metal original de alumínio,

3. - Processo de acordo com qualquer das reivindicações 1 ou 2, caracterizado por o referido oxidante em fase de vapor ser ar.

4. - Processo de acordo com qualquer das reivindicações 1 ou 2, caracterizado por incluir a utilização de um material cori taminante em combinação com a referida primeira fonte ou com a referida segunda fonte ou com ambas.

5, - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a referida primeira fonte de metal original e a referida segunda fonte de metal original terem substanctalmente a mesma composição.

6. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a referida primeira fonte de metal original e a refe rida segunda fonte de metal original ter composições substancial, mente diferentes.

7. - Processo de acordo com qualquer das reivindicações

1, 2, 5 ou 6, caracterizado por a composição do referido oxidani te usado nas fases (a), (b) e (c) ser substancialmente a mesma que a do referido oxidante usado para formar o referido corpo compósito cerâmico.

8. - Processo de acordo com qualquer das reivindicações

1, 2, 5 ou 6, caracterizado por a composição do referido oxidaii te usado nas fases (a), (b) e (c) ser substancialmente diferente da composição do referido oxidante usado na formação do referido corpo composito cerâmico.

9. - Processo de acordo com qualquer das reivindicações

1, 2, 5 ou 6, caracterizado por se misturar um segundo material de enchimento com a referida massa de material de enchimento em partículas antes da referida fase de orientação.

10,- Processo de acordo com qualquer das reivindicações

1, 2, 5 ou 6, caracterizado por a referida massa permeável de material de enchimento em partículas ser um prê-molde com uma forma pre-determinada e por a referida infiltração no referido pré-molde produzir um corpo composito cerâmico auto-suportado com a configuração do referido pré-molde.

11.- Processo para a produção de um corpo compósito cera mico auto-suportado compreendendo (i) uma matriz cerâmica obtida como produto da reacção de oxidação de um metal original com um oxidante em fase de vapor e (ii) um material de enchimento infiltrado pela referida matriz cerâmica, caracterizado por com preender as fases de: (a) aquecimento de uma primeira fonte de metal original de alumínio na presença de ar como oxidante e em conjunção com pelo menos um material contaminante para formar um corpo de me tal original fundido e a reacção do referido metal original fur[ dido com o referido oxidante a uma temperatura entre cerca de 850 e 1450°C para formar alumina como produto da reacção de oxidação que fica em contacto com e estende-se entre o referido corpo de metal bãsico fundido e o referido oxidante; manutejq ção da referida temperatura para arrastar progressivamente metal fundido através do referido produto da reacção de oxidação no sentido do referido oxidante de modo que o referido produto da reacção de oxidação continue a formar-se na interface entre o oxidante e o produto da reacção anteriormente formado ; (cl co£ tinuação da referida reacção durante um tempo suficiente para produzir um material policristalino que compreende o referido pr£ duto da reacção e, optativamente, um ou mais constituintes metálicos; (d) redução do referido material policristalino a partículas com dimensões para ser usado como material de enchimento e formação de um pré-molde permeável do referido material de enchj[ mento em partículas; (e) orientação de uma segunda fonte de metal original de alumínio e do referido pré-molde um em relação ao outro de modo que a formação de um produto da reacção de oxidação se verifique num sentido do interior do referido pré-molde; (f) repetição das fases (a), (b) e (c) anteriores do processo com a segunda fonte do metal original; e (g) continuação da referida reacção durante um tempo suficiente para que o produto da reacção de oxidação se infiltre no referido pre-molde formando o referido corpo compósito cerâmico com a configuração do referido pré-molde.

12,- Processo para a produção de um corpo composito cerâmico auto-portante compreendendo (i) uma matriz cerâmica obtida como produto da reacção de oxidação de um metal original com um oxidante em fase de vapor e (ii) um material de enchimen to infiltrado pela referida matriz cerâmica, caracterizado por compreender as fases de: (a) orientação de uma primeira fonte de metal original e um leito permeável do primeiro material de enchimento um em relação ao outro de modo que a formação do pr£ duto da reacção de oxidação se verifique no sentido é para o tn terior do referido leito de material de enchimento; (b) aquecimento da referida primeira fonte de metal original na presença de um oxidante em fase de vapor para formar um corpo de metal original fundido e reacção do referido metal original fundido com o referido oxidante a uma temperatura para formar um produto da reacção de oxidação que esta em contacto com e se estende entre o referido corpo de metal original fundido è o referido oxidante;

(c) manutenção da referida temperatura para arrastar progressiva, mente metal fundido através do referido produto da reacção no sentido do referido oxidante e para o interior da referida massa do referido primeiro material de enchimento de modo que o referido produto da reacção de oxidação continue a formar-sc na interface entre o oxidante e o produto da reacção de oxidação anterior^ mente formado; (d) continuação da referida reacção durante um tem po suficiente para infiltrar pelo menos uma porção do referido leito do primeiro material de enchimento com um material cerâmico policristalino que compreende produto da reacção de oxidação, primeiro material de enchimento e, optativamente, um ou mais constituintes metálicos; (e) redução do referido material cerâ mico policristalino a partículas com dimensões apropriadas para ser usado como segundo material de enchimento e formação de uma massa permeável do referido segundo material de enchimento; (f) orientação de uma segunda fonte de metal original e da segunda massa permeável do referido segundo material de enchimento um em relação ao outro de mddo que a formação de um produto da reac ção de oxidação se verifique num sentido do interior da referida massa de material de enchimento em partículas; (g) repetição das fases (a), (b), (c) e (d) do processo com a referida segunda fon te de metal origialj e (h) continuação da referida reacção durante um tempo suficiente para que o produto da reacção de oxidação se infiltre em pelo menos uma porção da referida massa do segundo material de enchimento de modo a formar o referido corpo composito cerâmico.

13. - Processo de acordo com a reivindicação 12, caracte rizado por o referido primeiro material de enchimento e o segu/ do material de enchimento terem substancialmente a mesma eompos i ção.

14. - Processo de acordo com a reivindicação 12, caracte rizado por o referido primeiro material de enchimento e o segundo material de enchimento terem composições substancialmente diferentes .

15. - Processo de acordo com a reivindicação 12, caract/ rizado por a referida primeira fonte e a referida segunda fonte de metal original compreenderem o metal original alumínio,

16, - Processo de acordo com qualquer das reivindicações 12, 13, 14 ou 15, caracterizado por o referido oxidante em fase de vapor ser ar.

17, - Processo de acordo com qualquer das reivindicações 12, 13, 14 ou 15, caracterizado por incluir a utilização de um material contaminante em combinação com a referida primeira fon. te ou com a referida seguhda ^Fonte de metal original ou com ambas.

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18, - Processo de acordo com qualquer das reivindicações 12, 13, 14 ou 15, caracterizado por a referida primeira fonte de metal original e a referida segunda fonte de metal original terem substancialmente a mesma combinação,

19, - Processo de acordo com qualquer das reivindicações 12, 13, 14 ou 15, caracterizado por a referida primeira fonte de metal original e a referida segunda fonte de metal original terem combinações substancialmente diferentes.

20, - Processo de acordo com qualquer das reivindicações 12, 13, 14 ou 15, caracterizado por a composição do referido oxi. dante usado nas fases (a), (Λ1 θ C^c) ^ser substancfalroente igual a composição do referido oxidante usado na formação do referido corpo composito cerâmico,

21, - Processo de acordo com qualquer das reivindicações 12, 13, 14 ou 15, caracterizado por a composição do referido oxidante usado nas fases (a), (b) e (c) ser substancialmente dj_ ferente da composição do referido oxidante usado na formação do referido corpo compõsito cerâmico.

22. - Processo de acordo com qualquer das reivindicações

12, 13, 14 ou 15, caracterizado por se misturar um terceiro material de enchimento com a referida massa do segundo material de enchimento antes da referida fase de orientação.

23. - Processo de acordo com qualquer das reivindicações 12, 13, 14 ou 15, caracterizado por a referida massa permeável d_o segundo material de enchimento ser um pre-molde com uma forma pre-determinada e por a referida infiltração no referido pré-molde produzir um corpo compósito cerâmico auto-suportado.com a configuração do referido pré-molde.

24. - Processo para a produção de um corpo compósito cerâmico auto-suportado compreendendo (i) uma matriz cerâmica obtida como produto da reacção de oxidação de um metal original com um oxidante em fase de vapor, e (ii) um material de enchimento infiltrado pela referida matriz cerâmica, caracterizado por compreender as fases de: (a) aquecimento de uma primeira fonte de metal original de alumínio na presença de ar como oxi. dante e em conjunção com pelo menos um material contaminante pa. ra formar um corpo de metal original fundido e reacção do refe rido metal orilginal fundido com o referido oxidante a uma temperatura de cerca de 850 a 1450°C para formar alumina como produto da reacção de oxidação que fica em contacto com e estende-se entre o referido corpo de metal original fundido e o referido oxidante; (b) manter a referida temperatura para arrastar progressi. vamente metal fundido através do referido produto da reacção de oxidação no sentido do referido oxidante de modo que o produto da reacção de oxidação continue a formar-se na interface entre o oxidante e o produto da reacção de oxidação formado anterior-45mente; (c) continuação da referida reacção durante um tempo suficiente para produzir um material policristalino compreendendo o referido produto da reacção de oxidação e, optativamente, um ou mais constituintes metálicos; (d) redução do referido material policristalino a partículas com dimensões para ser usado como segundo material de enchimento e formação de um pré-molde permeável do segundo material de enchimento em partículas; (e) orientação de uma segunda fonte de metal original de alumínio e do referido pré-molde um em relação ao outro de modo que a formação de um produto da reacção de oxidação se verifique num seii tido dirigido para o interior do referido pré-molde; (f) repet1_ ção das fases (a), (b) e (c) anteriores com a referida segunda fonte de metal original; e (g) continuação da referida reacção durante um tempo suficiente para que o produto da reacção de oxj[ dação se infiltre no referido pre-molde formando assim o referido corpo compósito cerâmico com a configuração do referido pré-molde.

25,- Processo de acordo com qualquer das reivindicações 1, 11, 12 e 24, caracterizado por a referida segunda fonte de metal original ser proporcionada com um certo desenho e a referida massa de material de enchimento ser colocada aplicada em condições de conformação com o referido desenho que é reproduz.! do inversamente pelo referido corpo compósito cerâmico.