PT92252B

PT92252B - Processo para a modelacao de compositos com matriz de metal, tendo cargas de material de enchimento variaveis e produtos produzidos por esse processo

Info

Publication number: PT92252B
Application number: PT92252A
Authority: PT
Inventors: Michael Kevork Aghajanian; Christopher Robin Kennedy; Alan Scott Nagelberg
Original assignee: Lanxide Technology Co Ltd
Priority date: 1988-11-10
Filing date: 1989-11-09
Publication date: 1995-07-18
Also published as: ZA898542B; PT92252A; PH26167A; IE893181L; JPH02247068A; AU623174B2; EP0369928A1; KR0121461B1; DK559189A; CA2000801C; US5020584A; FI89014C; FI894935A0; DE68919331D1; NO893988L; RO107402B1; FI89014B; CA2000801A1; CN1042486A; JP2905521B2

Description

Campo da Invenção

A presente invenção refere-se a um novo proces so para a formação de corpos compósitos com matriz de metal e a novos produtos produzidos por esse processo. Em particular, uma massa permeável de material de enchimento ou um pré-molde têm neles incluído pelo menos algum pó de metal da matriz. Além disso, um intensificador da infiltração e/ou um precursor do intensificador da infiltração e/ou uma atmosfera infiltrante estão em comunicação com o material de enchimento ou com um pré-molde, pelo menos em determinado instante durante o processo, o que permite que o metal da ma triz fundido se infiltre espontaneamente no material de enchimento ou no pré-molde. A presença de metal da matriz em pó no pré-molde ou no material de enchimento reduz a percentagem, em volume, de material de enchimento em relação ao me tal da matriz.

Fundamento da invenção

Os produtos compósitos que compreendem uma ma— de metal e uma fase de fortalecimento ou reforço, tal como, partículas, filamentos emaranhados, fibras ou similares, mos tram-se muito prometedores para uma certa variedade de aplicações porque eles combinam um pouco da firmeza e da resistência ao desgaste da fase de reforço com a ductilidade e a tenacidade da matriz de metal. Em geral um compósito com matriz de metal. Em geral um compósito com matriz de metal apresentará uma melhoria em propriedades, tais como, a resis tência, a firmeza, a resistência ao desgaste devido ao contacto e a retenç3o da resistência às temperaturas elevadas relativamente ao metal da matriz sob a forma monolítica, mas o grau em que qualquer propriedade depende grandemente dos constituintes específicos, da sua percentagem em volume ou em peso e da maneira como eles são processados na modelação do compósito. Am alguns casos, o compósito pode ser também mais leve que o metal da matriz em si. Os compósitos com ma triz de alumínio reforçados com cerâmicas, tais como, carbone to de silício, na forma de partículas, plaquetas ou filamentos emaranhados, por exemplo, têm interesse devido às suas maiores firmeza, resistência ao desgaste e resistência a tem peraturas elevadas, em comparação com o alumínio.

Têm sido descritos vários processos metalúrgicos para a fabricação de compósitos com matriz de alumínio, incluindo processos baseados na técnica da metalurgia dos pós e nas técnicas de infiltração de metal líquido, que empregam a moldação sob pressão, a moldação no vácuo, a agitação e agentes molhantes. Com as técnicas da metalurgia dos pós, o metal sob a forma de um pó e o material de reforço sob

3a forma de um pó, filamentos emaranhados, fibras cortadas, etc., são misturados e depois prensados a frio e sinterizados ou prensados a quente. A percentagem máxima, em volume, de cerâmica, nos compósitos com matriz de alumínio, reforçados com carboneto de silício produzidos por este processo tem sido indicada como sendo cerca de 25 por cento em volume, no caso dos filamentos emaranhados e cerca de 40 por cen to em volume, no caso dos materiais em partículas.

A produçSo de compósitos com matriz de metal pelas técnicas da metalurgia dos pós utilizando os processos convencionais impõe certas limitações relativamente às carac terísticas dos produtos que podem obter-se. A percentagem, em volume da fase cerâmica no compósito é limitada tipicamen te, no caso dos materiais em partículas, a cerca de 40 por cento. Também, a operaçSo de prensagem põe um limite às dimensões práticas que podem obter-se. Apenas formas do produto relativamente simples s8o possíveis sem um processamento subsequente (por exemplo, modelação ou maquinagem) ou sem rje correr a prensas complexas. Também pode verificar-se a contracçâo não uniforme durante durante a sinterizaçâo, bem como a não uniformidade da microestrutura, devido à segregação nos compactos e crescimento de grãos.

A patente norte-americana No. 3.970.136, concedida em 20 de Julho de 1976, a J.C. Cannell e outros, descreve um processo para a modelação de um compósito com matriz de metal que incorpora um reforço fibroso, por exemplo, filamentos emaranhados de carboneto de silício ou de alumina, com um padrão pré-determinado da orientação das fibras. 0 compósito e feito colocando mantos ou feltros paralelos de fibras complanares num molde com um reservatório de metal da matriz por exemplo alumínio fundido entre pelo menos alguns dos mantos e aplicando pressão para forçar o metal fundido a penetrar nos mantos e envolver as fibras orientadas. 0 metal fun dido pode ser vazado na pilha de mantos enquanto é forçado sob pressão a circular entre os mantos. Têm sido referidas cargas até cerca de 5θ %, em volume, de fibras de reforço no compósito.

processo de infiltração atrás descrito, tendo em vista a sua dependência da pressão externa para forçar o metal da matriz fundido através da pilha de mantos de fibras, está sujeito aos caprichos dos processos de fluência induzidos pela pressão, isto é, a possível não uniformidade da formação da matrizç porosidade, etc. A não uniformidade das propriedades é possível embora o metal fundido possa ser introduzido numa multiplicidade de locais no interior do agre gado fibroso. Consequentemente, é necessário proporcionar agregados de mantos reservatório e trajectos do fluxo complicados para se obter a penetração adequada e uniforme da pilha de mantos de fibras. Também, o processo de infiltração sob pressão atrás referido apenas permite obter um reforço re lativamente baixo da percentagem, em volume da matriz, devido à dificuldade inerente à infiltração de um grande volume de mantos. Mais ainda são necessários moldes para manter o metal fundido sob pressão, o que aumenta o custo do processo

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Finalmente, o processo atrás citado, limitado à infiltração de partículas ou fibras não se orienta para a formação de com pósitos com matriz de alumínio reforçados com materiais sob a forma de partículas, filamentos ou fibras orientados aleatoriamente .

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

A patente norte-americana No. 4.232.091 concedida a R. W. Grimshaw e outros, vence certas dificuldades técnicas encontradas na produção de compósitos com matriz de alumina. Essa patente descreve a aplicação de pressões de 75-375 kg/ cm para formar alumínio fundido, (ou a liga de alu mínio fundido) num manto de fibras ou fila'entos emaranhados de alumina que foi pré-aquecido a uma temperatura de 700 a 1050°C. A relação máxima entre os volumes de alumina e de me tal na peça moldada sólida resultante foi 0,25/l. Devido à sua dependência da força externa para relizar a infiltração

este processo está sujeito a muitas das mesmas deficiências que o de Cannell e outros.

A publicação do pedido de patente europeu No. 115.742 descreve a fabricação de compósitos de alumina-alumínio, especialmente utilizáveis como componentes de pilhas electrolíticas, pelo preenchimento dos vazios de uma ina triz de alumina pré-moldada com alumínio fundido. 0 pedido de patente faz realçar a não molhabilidade da alumina pelo alumínio e, portanto, são usadas várias técnicas para molhar a alumina em todo o pré-molde. Por exemplo, reveste-se a alu mina com um agente molbante formado por um diboreto de titânio, de zircónio,de háfnio ou de nióbio ou como um metal, isto é, lítio, magnésio, cálcio, titânio, crómio, ferro, cobalto, níquel, zircónio ou háfnio. Utilizam-se atmosferas inertes, tais como árgon, para facilitar o molhamento. Esta referência mostra também a aplicação de pressão para fazer com que o alumínio fundido penetre numa matriz nâo revestida. Nesse aspecto, a infiltração é realizada evacuando os poros e aplicando depois pressão ao alumínio fundido numa atmosfera inerte, por exemplo de argon. Em alternativa pode infiltrar-se o pré-molde por deposição do alumínio em fase de vapor, para molhar a superfície antes de preencher os vazios por in filtração com alumínio fundido. Para assegurar a retenção do alumínio nos poros do pré-molde, é necessário um tratamen to térmico, por exemplo a 1400 a l800°C no vácuo ou em argon. Caso contrário, quer a exposição do material infiltrado sob pressão aos gases, quer remoção da pressão de infiltração cau sará uma perda de alumínio no corpo.

uso de agentes molhantes ãra efectuar a infiltração de um componente de alumina de uma pilha electro lítica com metal fundido é também apresentado no pedio de pa tente europeu No. 9^353· Esta publicação descreve a produção de alumínio por extracçâo electrolítica com uma célula tendo um alimentador de corrente catódico que forma um revestimento ou substracto da célula. A fim de proteger este seu substrato da criolite fundida aplica-se um revestimento fino de uma mistura de um agente molhante e um supressor de solubilida^ de ao substrato de alumina antes do arranque da célula ou enquanto mergulha no alumínio fundido produzido pelo processo electrolítico. Os agentes molhantes indicados são o titânio, o zircónio, o háfnio, o silício, o magnésio, o vanádio, o crómio, o nióbio ou o cálcio, sendo o titânio mencionado como o agente preferido. Os compostos de boro, carbono e azo to são descritos como sendo utilizáveis para suprimir a solu bilidade dos agentes molhantes no alumínio fundido. A referência, porém, não sugere a produção de compósitos com matriz de metal nem sugere a formação de um tal compósito numa atmos fera por exemplo de azoto.

Além da aplicação de pressão e agentes molhantes, foi indicado que um vácuo aplicado auxiliará a penetração de alumínio fundido num compacto cerâmico poroso. Por exemplo, a patente americana No. 3 71θ 44l, concedida em 27 de Fevereiro de 1973, a R.L. Landingham, relata a infiltração de um compacto cerâmico (por exemplo, carboneto de boro, alumina e óxido de berílio) com alumínio fundido, berílio, magnésio, titânio, vanaádio, níquel ou crómio, sob um vácuo de menos de 10 torr. Um vácuo de 10”^ a 10^-^ torr teve como resultado um molhante insuficiente da cerâmica pelo metal fundido até o ponto de o metal não fluir livremente para o interior dos espaços vazios da cerâmica. Contudo, referiu-se que o molhamento melhorou quando se reduziu o vácuo para menos de 10~^ torr.

A patente americana N?. 3.864.154, concedida em 4 de Fevereiro de 1975, a G.E. Gazza e outros, também mostra a utilização do vácuo para se obter a infiltração. Esta patente descreve o processo de carregar um compacto pren sado a frio de pó de A1B₁₂· num leito de pó de alumínio pren sado a frio. Colocou-se depois alumínio adicional no topo do pó de A1B^₂. Colocou-se o cadinho, carregado com compacto de A1B^2 ensanduichado entre as camadas de pó de alumí nio, num forno no vácuo. 0 forno foi evacuado até aproximada mente 10 torr, para permitir a saída dos gases. Elevou-se depois a temperatura até 1100°C e manteve-se durante um período de 3 horas. Nessas condições o alumínio fundido pene trou no compacto de A1B^₂ poroso.

A patente americana No. 3.364.97®, concedida em 23 de Janeiro de 1968, a John N. Reding e outros, apre senta o conceito de criação de um vácuo autogerado num corpo para intensificar a penetração de um metal fundido no corpo. Especificamente descreve-se que um corpo, por exemplo, um molde de grafite, um molde de aço ou um material refractário poroso é inteiramente submerso no metal fundido. No caso de um molde, a cavidade do molde que ó preenchida com um gás reactivo com o metal, comunica com o metal fundido situado exteriormente através de pelo menos um orifício no molde. Quando se mergulha o molde na massa em fusão, verifica-se o enchimento da cavidade à medida que se produz o vácuo autoge rado a partir da reacção entre o gás na cavidade e o metal fundido. Em particular, o vácuo é o resultado da formação de uma forma oxidada sólida do metal. Assim, Reding et al, descrevem que é essencial induzir uma reacção entre o gás na cavidade e o metal fundido. ^ontudo, utilizando um molde para criar um vácuo pode ser indesejável por causa das limitações inerentes associadas com a utilização de um molde. Os moldes têm de ser primeiro maquinados para lhe dar uma forma particular e depois acabados, maquinados para produzir uma superfície de vazamento aceitável no molde, depois montados antes da sua utilização e em seguida desmontados após o seu uso para remover a peça fundida do mesmo seguindo-se depois a recuperação do molde, o que, mais provavelmente, incluirá a rectificação das superfícies do molde ou o seu descarte se não já aceitável para ser utilizado. A maquinagem de um mol de para obter uma forma complexa pode ser muito cara e demorada. Além disso, pode ser muito difícil a remoção de uma peça moldada de um molde de forma complexa, (isto é, as peças moldadas com uma forma complexa podem partir-se quando se retiram do molde). Mais ainda, embora haja uma sujestão de um material refractário poroso pode ser imerso directamente num metal fundido sem a necessidade de um molde, o material refractário teria, que ser uma peça inteira porque não se tomam providências para infiltrar um material poroso sepa

Ρ ,* rado ou solto sem o uso de um molde contentor (isto é, crê-se geralmente que tipicamente o material em partículas se desintregaria ou se separaria por flutuação quando colocado num metal fundido). Mais ainda, se desejasse infiltrar um material em partículas ou um pré-molde formado solto, seria necessário tomar precauções para que o metal infiltrante não desloque pelo menos porções do material em partículas ou do pré-molde, dando origem a uma microestrutura não homogénea.

Consequentemente, tem havido uma necessida de há muito sentida de um processo simples e fiável para pro duzir compósitos com matriz de metal modelados que não depen dem da utilização de pressão ou vácuo aplicado (quer aplicado externamente, quer criado internamente), ou agentes molhan tes prejudiciais para criar uma matriz de metal embebida noutro material, tal como um material cerâmico. Além disso, tem havido uma necessidade há muito sentida de minimizar a quantidade de operações finais de maquinagem necessárias para produzir um corpo compósito com matriz de metal. A presente invenção satisfáz essas necessidades proporcionando um mecanismo de infiltração espontânea para infiltrar um material (por exemplo, um material cerâmico), que pode ser modelado com a forma de um pré-molde, com metal da matriz (por exemplo, alumínio fundido, na presença de uma atmosfera infiltran te (por exemplo, azoto) à pressão atmosférica normal, desde que esteja presente um intensificador de infiltração pelo me nos em certo instante durante o processo.

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

Um processo novo para a fabricação de um material compósito com matriz de metal é apresentado no pedi^ do de patente americano do mesmo proprietário, No. 049*171, depositado em 13 de Maio de 1987, em nome de White et al e intitulado Metal Matrix Composites, agora concedido nos

Estados Unidos. De acordo com o processo da invenção de White et al, um compósito com matriz de metal é produzido pela infiltração de uma massa permeável de material de enchi

M· mento (por exemplo, uma cerâmica ou um material revestido com cerâmica) com alumínio fundido contendo pelo menos cerca de 1 por cento, em peso, de magnésio e de preferência pelo menos cerca de 3 por cento, em peso, de magnésio. A infiltração ocorre espontaneamente sem aplicação de pressão ou vá cuo exteriores. Um suprimento de liga de metal fundido e posto em contacto com a massa de material de enchimento a uma temperatura de pelo men s de 675°C, na presença de um gás compreendendo de cerca de 10 a 100 por cento e, de pref£ rência, cerca de 50 por cento de azoto, em volume, sendo o restante do gas, se houver, um gás não oxidante, por exemplo argon. Nestas condições, a liga de alumínio fundido infiltra—se na massa ceramica às pressões atmosféricas normais para formar um compósito com matriz de alumínio (ou liga de alumí^ nio). Quando se tiver infiltrado a quantidade desejada de material de enchimento com a liga de alumínio fundida, baixa -se a temperatura para solidificar a liga, formando assim uma estrutura com matriz de metal sólida embebida no material de enchimento de reforço. Usualmente e de preferência, o suprimento de liga fundida fornecido será suficiente para permi tir que a infiltração se processe substancialmente até aos li^ mites da massa do material de enchimento. A quantidade de ma terial de enchimento nos compósitos, com matriz de alumínio, produzidos de acordo com a invenção de White et al pode ser extraordinariamente alta. A este respeito, podem atingir-se relações volumétricas entre o material de enchimento e a liga maiores que 1:1.

Nas condições do processo na invenção de Whire et al atrás mencionada, pode tornar-se nitreto de alunrí nio como uma fase descontínua dispersa por toda a matriz de alumínio. A quantidade de nitreto na matriz de alumínio pode variar, dependendo de factores como a temperatura, a composição da liga, a composição do gás e do material de enchimento. Assim, controlando um ou mais desses factores no sistema é possível determinar de antemão certas propriedades do compósi^ to. Para algumas aplicações de utilização final, pode no entanto ser desejável que o compósito contenha pouco ou substan cialmente nenhum nitreto de alumínio.

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

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

processo do pedido de patente americano zr

No. 049 171 foi aperfeiçoado pelo pedido de patente americano copendente e do mesmo proprietário No. 168 284, depositado em 15 de Março de 1988, em nome de Michael K. Aghajanian e Marc. S, Newkirk e intitulado Metal Matrix Composites and Techniques for Making the Same ; De acordo com os processos apresentados nesse pedido de patente americano, uma liga de metal da matriz está presente como uma primeira fonte de metal e como um reservatório de liga de metal da matriz que comunica com a primeira fonte de metal fundido devido por exemplo, ao fluxo por gravidade. Em particular, nas condições descritas nesse pedido de patente, a primeira fonte de liga de matriz fundida começa a infiltrar a massa de metarial de enchimento §a pressão atmosférica normal, começando assim a formação de um compósito com matriz de metal. A primeira fonte de liga de metal de matriz fundida é consumida durante a sua infiltração na massa de material de enchimento e, se se desejar, pode ser reposta, de preferência por um meio contínuo, a partir do reservatório de metal de matriz fundida à medida que a infiltração espontânea continua. Quando se tiver infiltrado espontaneamente uma quantidade desejada de material de enchimento permeável pela liga da matriz fundida, baixa-se a temperatura para solidificar a liga, formando assim uma estrutura sólida da matriz de metal que embebe o material de enchimento de reforço. Deve compreender-se que a utilização de um reservatório de metal é simplesmente uma forma de realização da invenção descrita nesse pedido de patente e não é necessário combinar a forma de realização do reservatório com

todas as formas de realização alternativas da invenção nele desritos, algumas das quais podem também ser convenientes para utilizar em combinação com a presente invenção.

reservatório de metal pode estar presente numa quantidade tal que proporciona uma quantidade sufici. ente de metal para infiltrar a massa permeável de material de enchimento numa extensão pré-determinada. Em alternativa, um meio de barreira optativo pode contactar a massa permeável de material de enchimento pelo menos de um dos seus lados para definir um limite de superfície.

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

Todos os pedidos de patente de matriz de

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

Sumario da Invenção

Um corpo compósito com matriz de metal, com uma percentagem, em volume, variável e pré-determinável de mei terial de enchimento é produzido misturando pelo menos um material de enchimento de metal da matriz em pó com um material de enchimento ou pré-molde e infiltrando depois espontaneamen te o material de enchimento ou pré-molde com o metal da matriz fundido. Especificamente, um intensificador da infiltra, ção e/ou um precursor do intensificador de infiltração e/ou uma atmosfera infiltrante estão em comunicação com o material de enchimento ou pré-molde, pelo menos em determinado instante durante o processo, o que permite que o metal da matrz fun dido se infiltre espontaneamente no material de enchimento ou no pré-molde.

material de enchimento de metal da matriz em pó que é adicionado ao pré-molde ou ao material de enchimento fundiona para reduzir a percentagem, em volume, de material de enchimento em relação ao metal da matriz actuando como um material distanciador entre o material de enchimento. Especificamente, um material de enchimento ou um pré-molde

- / pode ter apenas um valor limitado de porosidade antes de se tornar difícil, se não impossível de manipular, devido à sua baixa resistência. C_Ontudo, se se misturar um material de en chimento de metal da matriz em pó com o material de enchimento ou o pre-molde, pode obter-se uma porosidade efectiva (isto é, em vez de se fornecer um material de enchimento ou um prémolde com maior porosidade, pode adicionar material de enchimento da matriz em pó ao material de enchimento ou ao pré-mol^ de). A esse respeito desde que o material de enchimento de metal da matriz em pó forme uma liga ou um composto intermetálico desejáveis com o metal da matriz fundido, que se infil^ tre espontaneamente no material de enchimento ou no pré-molde e não se obtenha qualquer efeito prejudicial sobre a infiltra^ ção espontânea, o corpo compósito com matriz de metal resultante terá a aparência de ter sido formado com um material de enchimento ou um pré-molde muito porosos.

material de enchimento de metal da matriz em pó combinado no material de enchimento ou pré-molde, pode ter exactamente a mesma composição química ou substancialmente a mesma composição química ou uma composição química um pouco diferente do metal da matriz que se infiltrou espontaneamente no material de enchimento ou no pré-molde. Contudo, se o material de enchimento de metal da matriz em pó tiver uma composição diferente da do metal da matriz que se infiltrou no material de enchimento ou no pré-molde, podem forraar-se compostos intermetálicos e/ou ligas desejáveis pela combi nação do metal da matriz e do material de enchimento de metal da matriz em pó, para melhorar as propriedades do corpo compósito com matriz de metal.

Numa forma de realização preferida da presente invenção, pode fornecer-se um precursor de um intensifi^ cador da infiltração ao metal da matriz e/ou ao material de enchimento de metal da matriz em pó e/ou ao material de enchi mento ou ao pré-molde e/ou à atmosfera infiltrante. 0 precur sor do intensificador da infiltração pode então reagir cora outras espécies no sistema espontâneo, para formar intensificador da infiltração.

Deve notar-se que esse pedido de patente descreve primariamente metais da matriz de alumínio que, em determinado instante durante a formação do corpo compósito com matriz de metal, são postas em contacto com magnésio, que funciona como precursor do intensificador da infiltração, na presença de azoto, que funciona como atmosfera infiltrante. Assim, o sistema de metal da matriz/precursor do intensificador da infiltração/atmosfera infiltrante de alumínio/magnésio/azoto apresenta a infiltração espontânea. Contudo, outros sistemas de metal da matriz/precursor do intensificador da infiltração /atmosfera infiltrante podem também comportar-se de maneira análoga à do sistema de alumínio/magnésio/azoto. Por exemplo, tem-se observado um comportamento de infiltração espontânea análogo tem sido observado no sistema de alumínio/estrôncio/azoto no sistema de alumínio/zinco/oxigénio e no sistema de alumínio/cálcio/azoto. Consequentemente, embora se discuta aqui principalmente o sistema de alumínio/ma£ nésio/azoto, deve entender-se que outros sistemas de metal de matriz/precursor de intensificador de infiltraçâo/atmosfera infiltrante podem comportar-se de maneira análoga.

Além disso, em vez de fornecer um precursor do intensificador da infiltração, pode fornecer-se directamen te um intensificador da infiltração ao material de enchimento ou ao pré-molde e/ou ao metal da matriz e/ou ao material de enchimento de metal da matriz em pó e/ou à atmosfera infiltrante. Finalmente, o intensificador de infiltração deve estar localizado pelo menos numa porção de material de enchimento ou no pré-molde.

Quando o metal da matriz compreender uma liga de alumínio, a liga de alumínio é posta em contacto com um pré-molde ou com um material de enchimento (por exemplo, alumina ou carboneto de silício), estando o material de enchi mento misturado, com magnésio ou tendo em algum instante durante o processo estado exposto ao magnésio. Além disso, numa forma de realização preferida, a liga de alumínio e/ou o pré-molde ou o material de enchimento estão contados numa atmosfera de azoto, pelo menos durante uma parte do processo. 0 pré-molde será infiltrado espontaneamente pelo metal da matriz e a extensão ou a velocidade da infiltração espontânea e a formação da matriz de metal variarão com um dado conjunto de condições do processo, incluindo, por exemplo, a concentração de magnésio proporcionada no sistema (por exemplo, na liga de alumínio e/ou na liga de material de enchimento de metal da matriz em pé e/ou no material de enchimento ou no material de enchimento ou na atmosfera infiltrante), as

dimensões e/ou a composição das partículas no pré-molde ou no material de enchimento, a concentração de azoto na atmosfera infiltrante, o tempo permitido para ainfiltração e/ou as dimensões e/ou a composição e/ou a quantidade de material de en chimento de metal da matriz em pó no pré-molde ou no material de enchimento e/ou a temperatura a que se verifica a infiltra Ção. A infiltração espontânea verifica-se tipicamente numa ex tensão suficiente para embeber de maneira substancialmente completa o molde ou o material de enchimento.

Definições:

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

Gás restante não oxidante. como aqui é usado, significa qualquer gás presente além do gás principal que constitui a atmosfera infiltrante é ou um gás inerte ou um gás redutor substancialmente não reactivo com o metal da matriz nas condições do processo. Qualquer gás oxidante que pos^ sa estar presente como impureza no(s) gás(es) usado(s) deve ser suficiente para oxidar o metal da matriz em qualquer grau /

substancial nas condições do processo.

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

Além disso, os meios de barreira apropriados incluem materiais que são substancialmente não molháveis pelo metal da matriz fundido que migra, nas condições do processo utilizadas. Uma barreira deste tipo aparente ter substancialmente pouca ou nenhuma afinidade para o metal da matriz fundido, e o movimento para além do limite de superfície definido da massa de material de enchimento ou do pré-molde é impedido ou inibido pelos meios de barreira. A barreira reduz qualquer maquinagem ou rectificaçâo finais que possam ser necessárias e define pelo menos uma porção da superfície do produto compósito com matriz de metal resultante. A barreira pode, em certos casos, ser permeável ou porosa, ou tor nada permeável, por exemplo pela abertura de furos ou perfu ração da barreira, para permitir que o gás contacte com o me tal da matriz fundido.

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

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

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

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

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

Precursor de intensificador de infiltração ou precur24 -

sor para o intensificador de infiltração.

como

do, significaca um material que, quando usado em combinação com o metal da matriz, o pré-molde e/ou a atmosfera infiltrante, forma um intensificador de infiltração que induz ou auxilia o metal da matriz a infiltrar-se espontaneamente no material de enchimento ou pré-molde. Sem desejar ficar limitado por qualquer teoria ou explicação particular, parece contudo que pode ser necessário que o precursor do intensificador de infiltração possa ser posicionado ou transporta vel para um local que permita que o precursor de intensificador de infiltração interaja com a atmosfera infiltrante e/ou o pré-molde ou material de enchimento e/ou metal da matriz. Por exemplo, em certos sistemas de metal da matriz/ /precursor de intensificador da infiltraçâo/atmosfera infil_ trnate é desejável que o precursor de intensificador de infiltração se volatilize, na vizinhança da ou, em alguns casos, um pouco acima da temperatura a que o metal da matriz se funde. Essa volatilização pode levar as (l) uma reacção do precursor de intensificador de infiltração com a atmos fera infiltrante para formar uma espécie gasosa que intensifica e molhamento do material de enchimento ou o pré-molde, pelo metal da matriz; e/ou (2) uma reacção do precursor de intensificador de infiltração com a atmosfera infiltrante para formar um intensificador de infiltração sólido, líquido ou gasoso, em pleo menos uma porção do material de enchimento do pré-molde o que intensifica o molhamento,e/ou (3) uma reacção do precursor de intensificador de infiltração no interior do material de enchimento ou do pré-molde que forma um intensificador de infiltração sólido, líquido ou gasoso em pelo menos uma porção do material de enchimento ou do pré-mol de, o que intensifica o molhamento.

Carga de partículas baixa, ou Percentagem em volume menor de material de enchimento, como aqui é usado, significa que a quantidade de metal da matriz ou da liga de metal da matriz ou de compostos intermetálicos em relação ao material de enchimento foi aumentada em relação a um mate rial de enchimento ou a um pré-molde que foi infiltrado espontaneamente a adição de material de enchimento de metal da matriz em pó ao material de enchimento ou ao pré-molde.

Metal da matriz ou Liga de metal da matriz como aqui é usado, significa o metal que é misturado com um material de enchimento para formar um corpo compósito com matriz de metal. Quando um metal especificado é designado como metal da matriz, deve entender-se que esse metal da matriz inclui o metal como um metal essencialmente puro, um metal de qualidade comercial com impurezas e/ou componentes de liga, um composto intermetálico ou uma liga em que aquele metal é constituinte principal ou predominante.

Sistema de metal da matriz/precursor de intensificador da infiltração/atmosfera infiltrante ou Sistema espontâneo. como aqui é usado, refere-se à combinação de materiais que apresente infiltração espontânea num pré-molde ou material de enchimento. Deve entender-se que quando aparecer um / entre um metal da matriz exemplificativo, um precur26

sor de intensificador de infiltração e uma atmosfera infil- / trante, / é utilizado para designar um sistema ou combina ção de materiais que, quando combinados de uma maneira parti^ cular, apresentam a infiltração espontânea num pré-molde ou material de enchimento.

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

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

Vaso não reactivo para alojar o metal da matriz . significa qualquer vaso que possa alojar ou conter um material de enchimento (ou pré-molde) e/ou metal da matriz fundido nas condições do processo e que não reage com matriz e/ou a atmosfera infiltrante e/ou o precursor do intensifica dor da infiltração de uma maneira que seria significativamen te prejudicial ou mecanismo de infiltração.

Metal da matriz em pó, como aqui é usado, sij» nifica o metal que foi conformado num pó e incluído em pelo

-273 menos uma porção de material de enchimento ou de um pré-molde. Deve entender-se que o metal da matriz em pó poderia ter uma composição igual, análoga ou muito diferente da do metal da matriz que deve infiltrar—se no material de enchimento ou no pré-molde. Contudo, o metal da matriz em pó a utilizar deve ser susceptível de formar uma liga e/ou um composto intermetálico desejados com o metal da matriz que deve infiltrar-se no material de enchimento ou no pré-molde. Além disso, o maá terial de enchimento de metal da matriz em pó poderia incluir um intensificador da infiltração e/ou um precursor do intensif ficador da infiltração.

Pré-molde ou Pré-molde permeável como aqui é usado, significa uma massa porosa de material de enchjÍ mento ou um material de enchimento que é preparado com pelo menos um limite de superfície que define substancialmente um limite para infiltração do metal da matriz, mantendo essa massa uma integridade de forma e uma resistência em verde suficientes para proporcionar uma fidelidade dimensional antes z

de ser infiltrada pelo metal da matriz, A massa deve ser suficientemente porosa para se adaptar à infiltração espontânea do metal da matriz no seu interior. Um pré-molde compreende tipicamente um agregado ou disposição ligados de material de enchimento homogéneo ou heterogéneo, e pode ser constituído por qualquer material adequado (por exemplo, um material em partículas em pó, fibras, filamentos emaranhados, etc. de cerâmica ou metal e qualquer combinação dos mesmos). Um prjé -molde pode existir individualmente ou como um conjunto.

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

Infiltração espontânea, como aqui é usa do, significa a infiltração do metal da matriz na massa permeável de material de enchimento ou pré-molde, que se verifi ca sem exigir a aplicação de pressão ou vácuo (quer aplicados externamente quer criados internamente.

Breve descrição das figuras:

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

A figura 1, uma vista em corte transversal esquemático de um conjunto para a produção de um compósito de matriz de metal, com uma carga de partículas reduzida, de acordo com os Exemplos 1-4; e

As figuras 2-5, fotografias das amostras formadas de acordo com os Exemplos 1-4, respectivamente.

- 29 Descrição pormenorizada da invenção e formas de realização preferidas

A presente invenção refere-se à formação de um corpo compósito com matriz de metal com a possibilidade de incluir uma percentagem, em volume, susceptível de ser pré-determinada e variável de material de enchimento, misturando com um material de enchimento com um pré-molde algum material de enchimento de metal da matriz em pó, pode produzir-se a percentagem em volume de material de enchimento de metal da matriz, donde resulta a possibilidade de ajustar a carga de partículas e outras propriedades de um corpo compósito com matriz de metal modelado.

Embora poddam obter-se cargas elevadas de partículas (por exemplo, da ordern de 40 a 6θ por cento, em volume) por processos de infiltração espontânea como os descritos, por exemplo, no pedido de patente americano do mesmo proprietário No. 049 171, depositado em 13 de Maio de 1987, as cargas de partículas menores (da ordem de 1 a 40 por cento, em volume) são mais difíceis, se não impossíveis de se obter por esses processos. Especificamente, as cargas de par tículas menores, usando esses técnicas conhecidas, exigem a uilização de pré-moldes ou de material de enchimento com porosidade elevada. Porém, a porosidade final é obtida e limitada pelo material de enchimento ou pelo pré-molde, sendo essa porosidade uma função do material de enchimento particular empregado e das dimensões ou granulometria das partículas escolhidas.

Segundo a presente invenção, mistura-se de maneira homogénea um material de enchimento de metal da matriz em pó com um material de enchimento para aumentar a distância de dispersão das partículas do material de enchimento, proporcionando assim um corpo a infiltrar de porosida de menor. Podem assim proporcionar-se pré-moldes ou material de enchimento compreendendo de 1 por cento, em volume, a 75 por cento, em volume, ou mais, e de preferência, 25 por cento em volume, a 75 por cento, em volume de metal da matriz em pó, para a infiltração conforme a percentagem, em vo lume, final desejada para o produto resultante. Como se tornará mais evidente a partir da descrição mais adiante e dos exemplos que se seguem, um aumento da percentagem em volume, de metal da matriz em pó conduz a uma diminuição relativa da percentagem, em volume, da carga de partículas cerâmicas obtida no produto final. A carga de partículas cerâmicas do produto final pode assim ser pré-determinada, escolhendo selectivamente o componente de metal da matriz em pó do pré-molde ou do material de enchimento.

metal da matriz em pó pode ser, mas não precisa de ser o mesmo que o metal da matriz que se infiltra espontaneamente no pré-molde ou no material de enchimento. 0 uso do mesmo metal para metal da matriz em pó e para metal da matriz conduz, após a infiltração espontânea, a um compósito substancialmente com duas fases de um material de enchimepto (por exemplo, um material de enchimento cerâmico) ou de um pré-molde e uma matriz dispersa e ligada tridimensionalr

mente do metal da matriz (com possíveis fases secundárias de nitreto, como se descreve mais adiante, conforme as condições do processo). Em alternativa, pode escolher-se um metal da matriz em pó diferente do metal da matriz de modo que se forma pela infiltração uma liga com propriedades mecânicas, eléctricas, químicas ou outras, desejadas. Assim, o me tal da matriz em pó combinada com o material de enchimento ou o pré-molde pode ter exactamente a mesma composição química, uma composição substancialmente igual ou uma composição química um pouco diferente da do metal da matriz infintrado espontaneamente.

Além disso, verificou-se que o pré-molde ou o material de enchimento e o metal da matriz em pó neles misturado mantém a mesma ou substancialmente a mesma rela ção, mesmo depois do aquecimento para além do ponto de fusão do metal da matriz em pó. Assim, por exemplo, embora o óxido de alumínio seja mais pesado do que o alumínio, após o aquecimento do material de enchimento de oxido de alumínio de um pré-molde misturado com alumínio, o óxido de alumínio não as senta com o aquecimento, mantendo-se uma distribuição substancialmente uniforme. Sem se pretender ser limitado por qualquer teoria particular, admite-se teoricamente que a distribuição uniforme resulta do facto de o alumínio ter uma película exterior de óxido (ou outra película) tal como uma película de azoto, depois de entrar em contacto com uma atmosfera infiltrante), o que impede a sedimentação das partículas .

Como se mantém uma distribuição substanci32

almente uniforme, obtêm-se pela infiltração produtos unifor mes. Além disso, como as distribuições das partículas permanecem substancialmente intactas durante o aquecimento, pode substituir-se ou variar-se o metal da matriz em pé num produto particular para criar metais da matriz e/ou ligas e/ou compostos intermetálicos diferentes, com propriedades diferentes em locais diferentes no corpo compósito.

Além disso podem usar-se partículas de ma terial de enchimento para o metal da matriz em pó diferentes ao longo de diferentes partes de um corpo particular, por exemplo para optimizar a resistência ao desgaste, à .verosão, em pontos particularmente vulneráveis do produto e/ou de outro modo alterar as propriedades do corpo em pontas d_i ferentes para se adaptar à aplicação particular.

Como é evidente do exposto, o metal da ma triz em pó actua assim como um distanciador, para vencer a resistência e outras limitações físicas encontradas ao tentar fabricar um material de enchimento ou um pré-molde altamente porosos, 0 corpo compósito com matriz de metal resultante obtido após a infiltração tem a aparência de ter sido formado a partir de um material de enchimento ou de um pré-molde muito porosos, sem os obstáculos ou desvantagens usu ais.

material de enchimento ou o pré-molde e a mistura do metal da matriz em pó podem ser modelados e man tidos com uma forma desejada por um de muitos meios convencionais. A título de exemplo apenas, o material de enchimento ou o pré-molde e a mistura do metal da matriz em pé po

dem ser ligados entre si por um aglutinante volatilizável, tal como, cera, cola, água por moldação com uma pasta fluída, moldação por dispersão prensagem a seco, ou ser colocados num leito inerte ou moldados no interior de uma estrutura de bar reira (como se descreve com mais pormenor mais adiante). Além disso, qualquer molde adequado para infiltração espontânea pode ser utilizado para confinar e modelar a mistura de metal da matriz em pé, para se obter uma forma precisa ou qua se precisa após a infiltração. A mistura do pré-molde ou do material de enchimento e do metal da matriz em pó, foram porém suficientemente porosos para permitir que o metal da matriz e/ou atmosfera infiltrante e/ou o intensificador da infiltração e/ou o precursor do intensificador da infiltração se infiltrem uma vez que a infiltração espontânea seja iniciada .

Além disso, não é necessário que o metal da matriz em pé esteja na forma de pé, podendo pelo contrário, estar sob a forma de plaquetas, fibras, grânulos, filamentos emaranhados ou outros semelhantes, conforme a estrutura da matriz final desejada. Mas a máxima uniformidade na distribuição do produto final será obtida se se usar metal da matriz em pó.

Adicionalmente, em vez de, ou além da adição de metal da matriz em pó ao material de enchimento ou ao pré-molde, o próprio material de enchimento pode ser revestido com metal da matriz para aumentar o espaçamento entre as partículas, proporcionando no entanto ainda um material de

enchimento ou um pré-molde com porosidade bastante baixa com resistência suficiente para o tornar trabalhável.

/ásfe

A fim de efectuar a infiltração espontânea do metal da matriz no pré-molde, deve proporcionar-se um intensificador de infiltração ao sistema espontâneo. Um intensificador de infiltração poderia ser formado a partir de um precursor de intensificador de infiltração que poderia ser proporcionado (l) no metal da matriz; e/ou (2) no pré-molde ou no material de enchimento; e/ou (3) de uma fonte externa para o sistema espontâneo; e/ou no metal da matriz em pó; e/ou (5) da atmosfera infiltrante. Além disso em vez de fornecer um precursor de intensificador de infiltração, pode proporcionar-se um intensificador de infiltração directamente no pré-molde e/ou ao metal da matriz e/ou à atmosfera infiltrante; e/ou ao material de enchimento de metal da matriz em pó. Finalmente, pelo menos durante a infiltração espontânea, o intensificador de infiltração deve estar localizado em pelo menos uma porção de material de en chimento ou pré-molde.

Numa forma de realização preferida, é pos sível que o precursor de intensificador de infiltração possa reagir pelo menos parcialmente com a atmosfera infiltrante de modo que o intensificador da infiltração pode ser formada em pelo menos uma porção de material de enchimento ou pré-molde e/ou o material de enchimento de metal da matriz em pó antes ou muito próximo do contacto do pré-molde com o metal dá matriz (por exemplo, se foi o magnésio o precursor

- 35 de intensificador de infiltração e o azoto foi a atmosfera infiltrante, o intensificador de infiltração poderia ser o nitreto de magnésio, que estaria localizado pelo menos numa porção do pré-molde).

Um exemplo de um sistema de metal da matriz/precursor de intensificador de infiltração/atmosfera infiltrante é o sistema de alumínio/magnésio/azoto. Especificamente, um metal da matriz de alumínio pode estar contido dentro de um vaso refractário adequado que, nas condições do processo, não reage com o metal da matriz de alumínio e/ou o material de enchimento e/ou o metal da matriz em pé, quando o alumínio fundir. Nas condições do processo, o metal da matriz de alumínio é induzido a infiltrar-se espontaneamente no material de enchimento ou no pré-molde espon taneamente.

Além disso, em vez de fornecer um precur sor de intensificador de infiltração, pode fornecer-se um intensificador da infiltração directamente ao pré-molde e/ou ao metal da matriz e/ou à atmosfera infiltrante e/ou ao ma terial de enchimento de metal da matriz em pó. Finalmente, pelo menos durante a infiltração espontânea, o intensificador de infiltração deve estar localizado em pelo menos uma porção do material de enchimento ou pré-molde.

Nas condições usadas no processo segundo a presente invenção, no caso de um sistema de infiltração espontânea de alumínio/magnésio/azoto, o material de enchimento ou o pré-molde deve ser suficientemente permeáveis

- 36 para permitir que o gás contendo azoto penetre ou atravesse os poros do material de enchimento ou pré-molde num dado ins tante durante o processo e/ou entre em contacto com o metal da matriz fundido. Além disso, o material de enchimento ou o pré-molde permeáveis podem adoptar-se à infiltração do me tal da matriz fundido, fazendo assim com que o pré-molde impregnados com azoto seja infiltrada espontaneamente com metal da matriz fundida para formar um corpo compósito com matriz de metal e/ou fazer com que azoto reaja com um precur sor do intensif icador da infiltração para formar o intensifi^ cador da infiltração no material de enchimento ou pré-molde dando assim, origem à infiltração espontânea. A extensão da infiltração espontânea e a formação do compósito com matriz de metal variarao com um dado conjunto de condições de processo, incluindo o teor de magnésio da liga de alumínio, o teor de magnésio do material de enchimento ou do pré-molde, o teor de magnésio do metal da matriz em pó, a quantidade de nitreto de magnésio no pré-molde, a presença de elementos de liga adicionais(por exemplo silício, ferro, cobre, manganês, crómio, zinco e semelhantes) as dimensões médias do material de enchimento (por exemplo o diâmetro das partículas ou partículas no pré-molde, a condição da superfície e o tipo de material de enchimento, as dimensões médias do metal da matriz em pó, a condição da superfície e o tipo de metal da matriz em pó, a concentração de azoto da atmosfera infiltrante, o tempo permitido para a infiltração e a temperatura a que se verifica a infiltração. Por exemplo, para que a infiltração de metal da matriz de alumínio fundido se verifique esponta- 37 -

neamente o alumínio pode formar uma liga com pelo menos cerca de 1 por cento, em peso, e de preferência pelo menos cerca de 3 por cento, em peso, de magnésio (que funciona como precursor do intensificador de infiltração ) com base no peso da liga. Elementos de liga auxiliares como atrás incluídos no metal da matriz para nela obter propriedades específicas pré-determinadas. Adicionalmente, os elementos de liga auxiliares podem influenciar a quantidade mínima de magnésio requerida no metal de alumínio da matriz para conduzir à infiltraçSo espontânea do material de enchimento ou pré-molde. A partir do sistema espontâneo devido por exemplo, a volatilização não ocorrerá em grau tal que não haja nenhum magnésio para formar intensificador de infiltração. Assim, é desejável uti^ lizar uma quantidade suficiente de elementos de liga para assegurar que a infiltração espontânea não será afectada de ma neira adversa pela volatilização. Além disso ainda, a presen ça de magnésio em dois ou mais dentre o pré-molde, o metal da matriz em pó e o metal da matriz, ou no pré-molde ou no metal da matriz em pó sozinho pode conduzir a uma menor quantidade de magnésio necessária para se obter a infiltração espon tânea (discutida com mais pormenor mais adiante).

A percentagem, em volume, de azoto na atmosfera de azoto também afecta as taxas de formação do corpo compósito com matriz de metal. Especificamente, se estiverem presentes menos de cerca de 10 por cento, em volume, de azoto na atmosfera, verificar-se-á a uma infiltração esponta nea muito lenta ou reduzida. Verificou-se que é preferível que estejam presentes pelo menos cerca de 50 por cento, em

volume de azoto na atmosfera, de modo que resultam, por exem pio, menores tempos de infiltração devido a uma velocidade de infiltração muito maior. A atmosfera infiltrante (por exemplo, um gás contendo azoto) pode ser fornecida directamente ao material de enchimento ou pré-molde e/ou ao metal da matriz, ou pode ser produzida por ou resultar de uma decomposição de um material.

teor mínimo de magnésio requerido para que o metal da matriz fundido se infiltre num material de en chimento ou pré-molde depende de uma ou mais variáveis tais como a temperatura de processamento, o tempo, a presença de elementos de liga auxiliares, tais como silício ou zinco, a natureza do material de enchimento, a natureza do metal da matriz em pó, a localização do magnésio em um ou mais dos componentes do sistema espontâneo, o teor de azoto da atmosfera e a velocidade que a atmosfera de azoto flui. Podem usar-se temperaturas mais baixas ou tempos de aquecimento me nores para se obter uma infiltração completa quando se aumen tar o teor de magnésio da liga e/ou do pré-molde. Também para um dado teor de magnésio, a adição de certos elementos de liga auxiliares, tais como o zinco, permite o uso de temperaturas mais baixas. Por exemplo, um teor de magnésio no me tal da matriz no extremo inferior da faixa operável, por exem pio, de cerca de 1 a 3 por cento, em peso pode ser usado em conjunto com pelo menos uma das seguintes condições: uma temperatura de processamento acima da mínima, uma elevada con centração de azoto, um ou mais elementos de liga. Se não se adicionar nenhum magnésio ao pré-molde, são preferidas as li39 = /

gas contendo cerca de 3 2 5 por cento, em peso, de magnésio, com base na sua utilidade geral numa ampla variedade de con dições do processo, preferindo-se pelo menos cerca de 5 por cento quando se utilizam temperaturas mais baixas e tempos mais curtos. Podem usar-se teores de magnésio acima de cerca de 10 por cento, em peso, da liga de alumínio para moderar as condições de temperatura requeridas para a infiltração .

teor de magnésio pode ser reduzido quando usado em conjunto com um elemento de liga auxiliar, mas esses elementos apenas desempenham uma função auxiliar e sâo usados juntamente com pelo menos a quantidade mínima de magnésio atrás especificada. Por exemplo, não havia substan cialmente qualquer infiltração de alumínio nominalmente puro formando liga com apenas 10 por cento de sílicio a 1000°C num leito de 39 Crystolon (carboneto de silício puro a 99 da Norton Co.) com granulometria de 500 mesh. Mas, na presença de magnésio, verificou—se que o silício promove o processo de infiltração. Como outro exemplo, a quantidade de ma_g nésio varia se ele for fornecido exclusivamente ao pré-molde ou material de enchimento.

Verificou-se que a infiltração espontânea ocorrerá com uma percentagem, em peso, menor de magnésio ao sistema quando pelo menos uma parte da quantidade total de magnésio fornecido for colocada no pré-molde ou material de enchimento. Pode ser desejável proporcionar uma quantida de menor de magnésio a fim de impedir a formação de compos4ο

tos intermetálicos indesejáveis no corpo compósito com matriz de metal. No caso de um pré-molde de carboneto de sílicio, descobriu-se que, quando se põe o pré-molde em contacto com um metal da matriz de alumínio, contendo o pré-molde pelo menos cerca de 1 %, em peso de magnésio e estando na presença de uma atmosfera de azoto substancialmente puro, se infiltra espontaneamente metal da matriz no pré-molde. No caso de um pré-molde de alumina, a quantidade de magnésio necessária para se obter infiltração espontânea aceitável é ligeiramente maior. Especificamente, verificou—se que, quan do um pré-molde de alumina é posto em contacto com um metal da matriz de alumínio similar, aproximadamente à mesma tempe ratura que a alumina que se infiltrou num pré-molde de carbo neto de sílicio, e na presença da mesma atmosfera de azoto, podem ser necessários pelo menos cerca de 3 em peso, de magnésio, para se obter infiltração espontânea semelhante à obtida no pré-molde de carboneto de silício que se acabou de examinar.

Faz-se também notar que é possível forne cer ao sistema espontâneo precursor de intensificador de infiltração e/ou intensificador de infiltração numa superfície de liga e/ou numa superfície do pré-molde ou material de enchimento e/ou no interior do pré-molde ou material de enchimento e/ou na ou sobre uma superfície do metal da matriz em pó. antes da infiltração do metal da matriz no material de enchimento ou pré-molde (isto é, pode ser necessário que o intensificador de infiltração ou o precursor de intensifica dor de infiltração fornecido forme uma liga com o metal da

matriz

Adicionalmente, utiliza-se tipicamente o aquecimento por resistência eléctrica para obter as tempe raturas de infiltração. Contudo, qualquer meio de aquecimento que possa provocar a fusão do metal da matriz e que não afecte adversamente a infiltração espontânea, é aceifável para ser usado com a presente invenção.

processo para a modelação de um compó^ sito com matriz de metal é aplicável a uma ampla variedade de material de enchimento, dependendo a escolha do material de enchimento de factores tais como a liga da matriz, as condições do processo, a reactividade da liga da matriz fun dida com o material de enchimento e as propriedades pretendidas para o produto compósito final. Por exemplo, quando o alumínio for o metal da matriz, os materiais de enchimenro adequados incluem (a) óxidos, por exemplo alumina; (b) car bonetos, por exemplo carboneto de silício; (c) boretos, por exemplo dodecarboneto de alumínio e (d) nitretos, por exemplo nitreto de alumínio. Se houver uma tendência para o material de enchimento reagir com o metal da matriz de alumínio fundido, isso poderia ser compensado minimizando o tempo de infiltração e a temperatura ou proporcionando um reves timento não reactivo no material de enchimento. 0 material de enchimento pode compreender um substrato, tal como carbono ou outro material não cerâmico, levando um revestimento cerâmico para proteger o substrato do ataque ou da degradação. Os revestimentos cerâmicos adequados incluem óxidos

carbonetos, boretos e nitretos. As cerâmicas preferidas para utilizar no presente processo incluem a alumina e o car boneto de silício sob a forma de partículas, plaquetas, fila mentos emaranhados e fibras. As fibras podem ser descontínuas (sob a forma cortada) ou sob a forma de filamentos contínuo, tais como estopas de multifilamentos. Além disso, a massa cerâmica ou pré-molde podem ser homogéneos ou heterogé^ neo s.

Descobriu-se também que certos materiais de enchimento apresentam uma melhor infiltração em relação em relação aos materiais de enchimento tendo uma composição química semelhante. Por exemplo,corpos de alumina triturada feitos pelo processo descrito na patente americana No.

713 360, intitulada Novel Ceramic Materials and Methods of Making Same publicada em 15 de Dezembro de 1^87, em nome de Marc S. Newkirk et al, apresentam propriedades de infiltração em relação aos produtos de alumina comercialmente dis^ poníveis. Além disso, os corpos de alumina triturada feitos pelo processo descrito no pedido de patente copendente, do mesmo proprietário No. 819 397 intitulado Composit Ceramic Articles and Methods of Making Same em nome de Mack S. Newkirk et al, também apresentam propriedades de infiltração desejáveis em relação aos produtos de alumina comercialmente disponíveis. Os objectos do pedido de patente publicado e do pedido de patente copendente são aqui expressamente incor porados por referência. Especificamente, descobriu-se que a infiltração completa de uma massa permeável de material cerâ. mico pode ocorrer a temperaturas de infiltração mais baixas

e/ou em tempos de infiltração menores utilizando no corpo triturado ou reduzido a partículas produzido pelo processo do pedido de patente e da patente americanos atrás.

As dimensões e a forma do material de en chimento podem ser quais necessárias para obter as proprieda des desejadas no compósito. Assim, o material pode estar sob a forma de partículas, filamentos emaranhados, plaquetas ou fibras, visto que a infiltração nao é limitada pela forma do material de enchimento. Outras formas, tais como, esferas, túbulos, peletes tecido de fibras refractárias similares podem ser usadas. Além disso, as dimensões do material não limitam a infiltração, embora possam ser necessários uma temperatura mais alta ou um período de tempo maior para a in filtração completa de uma massa de partículas mais pequenas do que para partículas maiores. Além disso, ainda, a massa de material de enchimento (moldada para formar um pré-molde a infiltrar tem de ser permeável ao metal da matriz fundido e à atmosfera infiltrante processo de formação de compósitos com matriz de metal segundo a presente invenção, pode não ser d£ pendente do uso de pressão para forçar ou comprimir metal da matriz fundido para o interior de um pré-molde ou uma massa de material de enchimento, permite a produção de compósitos com matriz de metal substancialmente uniforme com uma eleva da percentagem, em volume, de material de enchimento e uma baixa porosidade. Podem conseguir-se maiores percentagens, em volume, de material de enchimento utilizando uma massa inicial de material de enchimento com menor porosidade.Maiores percentagens, em volume, podem também ser obtidas, se a massa de material de enchimento for compactada ou tornada mais densa de outro modo, desde que a massa não seja conver tida nem numa massa conpacta com poros fechados, nem numa estrutura completamente densa, que impediria a infiltração pela liga fundida.

Com a presente invenção, podem também realizar-se percentagens, em volume, de material de enchimen to baixas, proporcionando assim uma gama global de 1 a 75 por cento, ou mais elevado, de percentagem em volume, possíveis de ser obtidas.

Foi observado que, para a infiltração de alumínio e a formação de uma matriz em torno de um material de enchimento cerâmico, o molhamento do material de enchimen to cerâmico pelo metal da matriz de alumínio pode ser uma parte importante do mecanismo de infiltração. Além disso, as temperaturas de processamento baixas, verifica-se uma despre sível ou mínima nitretação do metal, resultando daí uma fase descontínua mínima de nitreto de alumínio disperso na matriz de metal. Contudo, quando nos aproximamos do extremo superi or da faixa de temperaturas torna-se mais provável a nitreta ção do metal. Pode assim controlar-se a quantidade de nitre to na matriz de metal fazendo variar a temperatura de proceis sarnento à qual se verifica a infiltração. A temperatura de processamento específica à qual se torna mais pronunciada a formação de nitreto varia também com factores tais como a

- í+5liga de alumínio da matriz usada e a sua quantidade relativa mente ao volume de material de enchimento ou do pré-molde, o material de enchimento a infiltrar, o metal da matriz em pé usado e a sua quantidade em relação ao volume de material de enchimento ou do pré-molde e a concentração de azoto da atmosfera infiltrante. Por exemplo, crê-se que a extensão da formação de nitreto de alumínio a uma dada temperatura aumenta quando diminui a capacidade da liga para molhar o material de enchimento e quando aumenta a concentração de azoto da atmosfera.

É pois possível, pré-determinar a constituição da matriz de metal durante a formação do composito para conferir certas características ao produto resultante. Para um dado sistema, podem escolher-se as condições do processo para controlar a formação de nitreto. Um produto compósito contendo uma fase de nitreto de alumínio apresentará certas propriedades que podem ser favoráveis para ou melhorar a eficácia do produto. Além disso, a gama de temperaturas para a infiltração espontânea com uma liga de alumínio pode variar com o material cerâmico usado. No caso de alumina como material de enchimento, a temperatura para a infiltração não deve de preferência exceder cerca de 1000°C, se se desejar que a ductilidade da matriz não seja reduzida pela formação significativa de nitreto. Contudo, podem usar -se, temperaturas superiores a 1000°C se se desejar produzir um compósito com uma matriz menos dúctil e mais rígida. Para infiltrar carboneto de sílicio, podem usar-se temperaturas

mais elevadas, de cerca de 1200 C, visto a liga de alumínio se nitrifica em menor grau relativamente ao uso de alumina como material de enchimento, quando se usar o carboneto de silício como material de enchimento.

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

Pode utilizar-se também um meio de barreira em combinação com a presente invenção. Especificamente, o meio de barreira a utilizar com a presente invenção _ 47 - / pode ser qualquer meio adequado que interfira, iniba, impe^ ça ou interrompa a migração, o movimento ou similar, da liga de matriz fundida (por exemplo, umaliga de alumínio) para além do limite de superfície definido do material de enchimento. Os meios de barreira apropriados podem ser quaisquer material, composto, elemento, composição ou similar que, nas condições do processo segundo a presente inven ção, mantém uma certa integridade, não é volátil e, de preferência, é permeável ao gás usado com o processo, bem como possa localmente inibir, interromper, interferir com, impedir ou similar, a infiltração contínua ou qualquer outra e_s pécie de movimento para além do limite de superfície defini^ do do material de enchimento cerâmico.

Os meios de barreira apropriados incluem materiais que são substancialmente não molháveis pela liga de metal da matriz fundida que migra, nas condições do processo usadas. Uma barreira desse tipo parece mostrar pouca ou nenhuma afinidade para a liga de matriz fundida, impedindo-se ou inibindo-se o movimento para além do limite de superfície definido do material de enchimento ou pré-molde por meio da barreira. A barreira reduz qualquer maquinagem ou rectificação finais que possam ser necessários do produto compósito com matriz de metal. Como atrás se mencionou, a barreira deve de preferência ser permeável ou porosa, ou tornada permeável por meio de furos, para permitir que o gás contacte com a liga da matriz fundida.

Barreiras adequadas particularmente uti. lizáveis para as ligas da matriz de alumínio são as que con têm carbono, especialmente a forma alotrópica cristalina de carbono conhecida como grafite. A grafite é essencialmente não molhável pela liga de alumínio fundida, nas condições de processo descritas. Uma grafite particularmente preferida é um produto de fita de grafite que é vendido sob a marca comer ciai Grafoil <7, registada pela Union Carbide. Esta fita de grafite apresenta características de vedação que impedem a migração de liga de alumínio fundido para além do limite de superfície definido do material de enchimento. Esta fita de grafite é também resistente ao calor e quimicamente inerte.0 material de grafoil« é flexível, compatível; moldável e elástica. Pode ser feito em várias formas para se adaptar a qualquer aplicação da barreira. Contudo, o meio de barreira de grafite pode ser empregado como uma pasta ou suspensão ou mesmo como uma película de tinta em torno de e no limite do material de enchimento ou pre-molde. Grafoilw e particular mente preferido porque se encontra na forma de uma folha de grafite flexível. Em uso, essa grafite semelhante a papel é simplesmente modelada em torno do material de enchimento ou pré-molde.

Outro ou outros meios de barreira para ligas da matriz de metal de alumínio em azoto são os boretos de um metal de transição (por exemplo, diboreto de titânio (Tií^)), que são em geral não molháveis pela liga de metal de alumínio fundido em certas condições do processo empregadas usando esse material. Com uma barreira desse tipo, a tem peratura do processo não deve exceder cerca de 875 C, pois, de outro modo, o material de barreira torna-se menos eficaz, (

verificando-se de facto que o aumento da temperatura da infil. tração na barreira. Os boretos de um metal de transição encontram-se tipicamente, numa forma de partículas (l-30 micróme^ tros). Os materiais de barreira podem ser aplicados como uma suspensão ou pasta nos limites da massa permeável de material de enchimento cerâmico que, de preferência, é moldado como um pré-molde.

Outras barreiras utilizáveis para ligas da matriz de metal de alumínio em azoto incluem compostos orgânicos de pequena volatibilidade aplicados como uma película ou camada na superfície externa do material de enchimento ou pré-molde. Mediante a cozedura em azoto, especialmente nas condições de processo da presente invenção, o composto orgâni. co decompõe-se deixando uma película de fuliger de carbono.

composto orgânico pode ser aplicado por meios convencionais tais como pintura, pulverização, imersão, etc.

Além disso, materiais em partículas finamente triturados, podem funcionar como barreiras desde que a infiltração do material em partículas se verifique com uma velocidade menor que a taxa de infiltração do material de enchimento .

Assim, o meio de barreira pode ser aplacado por qualquer meio adequado, por exemplo cobrindo o limite de superfície definido com uma camada do meio de barreira. Essa camada de meio de barreira pode ser aplicada por pintura, imersão, serigrafia, evaporação ou aplicando de outro modo o meio de barreira sob a forma de líquido, suspensão ou pasta, ou por deposição de um meio de barreira vaporizável, ou simplesmente pela deposição de uma camada de meio de barreira sólido, em partículas, ou pela aplicação de uma folha fina sólida ou película de meio de barreira no limite de superfície definido. Com o meio de barreira no seu lugar, a infiltração é espontânea e termina substancialmente quando a atmosfera infil trante atingir o limite de superfície definido e entrar em contacto com o meio de barreira.

Nos Exemplos que se seguem imediaramente estão incluídas várias demonstrações da presente invenção. Contudo, esses Exemplos devem ser considerados como sendo ilu_s trativos e não como limitativos do escopo da presente invenção, como é defindio nas reivindicações anexas.

Exemplo 1 a 4

Estes exemplos ilustram a formação de compósitos com matriz de metal com uma carga variável e pré-detérminável de partículas cerâmicas mediante a mistura de quantidades variáveis de metal da matriz em pó com um material de enchimento modelado sob a forma de um pré-molde. Em todos os exemplos seguintes (como se resume no Quadro), obteve-se a infiltração espontânea e os corpos produzidos por adição de me tal da matriz em pó (Exemplos 2-4) mostraram uma estrutura e uma aparência análogas às do corpo infiltrado espontaneamente no material de enchimento sem o metal da matriz em pó (Exemplo l), excepto quanto às diferenças nas cargas de partículas.

A figura 1 é uma vista esquemática do conjunto (lO) que foi usada para os Exemplos 1 a 4.

Em primeiro lugar preparou-se um pré-molde (l) para cada um dos Exemplos 1-4. No Exemplo 1, o pré-molde era constituído por 100 por cento de alumina de 220 grit (38 Alundum, de 320 grit, da Norton Company). Nos Exemplos 2-4, o pré-molde era constituído por uma mistura da mesma alumina de 220 grit e uma liga de alumínio em pó com uma composição, em peso, de cerca de 10 por cento de silício 3 por cento de magnésio e o restante de alumínio (Al-lOSi-3Mg), que foi pulverizada por técnicas convencionais de pul verização para uma granulometria de -200 mesh. A percentagem em peso relativo de alumina e de liga de alumínio variou nos Exemplos 2-4, como se resume no Quadro 1.

A alumina e a liga de alumínio nos Exe pios 2-4 foram misturadas secas e depois comprimidas para fo mar rectângulos de 2,54 x 5,08 cm (l x 2), com espessuras de cerca de 1,27 cm 0Í2ⁿ) numa matriz de aço temperado, com 2 uma pressão de cerca de 0,7 kg/cm 10 psi), sem a adição d qualquer aglutinante. A liga de alumínio era suficientemente macia para ligar o material de enchimento, com forma pré-mol dada. Comprimiu-se um rectângulo análogo de alumina para fo rnar o pré-molde do Exemplo 1.

Colocaram-se depois os rectângulos pré -moldados dos Exemplos num leito (2) de alumina de 500 grit (38 Alundum, 500 grit, da Norton Company), que actuou nomi nalmente como uma barreira durante a infiltração. 0 leito es tava contido numa barquinha refractária (3) (Bolt Technical Ceramics, BTC-Al-99,7 Alumina Sagger, 10 ml de compri /

mento, 45 mm de largura e 19 mm de altura). Para os fins da experiência , não havia necessidade de proporcionar uma barreira mais eficiente. Mas seria possível obter uma forma ní.

tida com um meio de barreira mais eficiente do tipo atrás desi 7?) crito (por exemplo, uma fita de Grafoil^—' ).

Colocou-se um lingote (4) de liga de alumínio (Al-10Si-3Mg) com dimensões análogas às do rectângulo pré-molde (l) no topo de cada um dos discos do pré-molde (l).

Colocou-se depois o conjunto (lO) num forno tubular de resistência eléctrica de 7,6 cm (3) e fez-se depois passar gás de formação (96 por cento, em volume, de azoto - 4 por cento, em volume, de hidrogénio) através do forno com um caudal de cerca de 250 crn /min. Elevou-se a temperatura do forno até cerca de 150°C por hora até uma temperatu ra de cerca de 825°C e manteve-se a cerca de 825°C durante cerca de 5 horas. Baixou-se depois a temperatura do forno a cerca de 200°C por hora e retiraram-se as amostras, preparou-se um corte e poliu-se. Nas figuras 2 a 5 mostraram-se micro fotografias das amostras dos Exemplos 1-4. Realizou-se tam bém a análise das imagens para determinar a percentagem da área de partículas cerâmicas em relação à do metal da matriz para cada um dos Exemplos, como se resume no Quadro.1. Como se indica no Quadro 1 e se ilustra nas figuras 2-5, obteve-se infiltração espontânea em todas as amostras e verificou-se que a carga de partículas diminuiu em relação à quantidade de metal da matriz em pó no pré—molde.

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Claims

REIVINDICAÇOES

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

misturar metal da matriz em pó e um material de enchimento substancialmente não reactivo para formar uma massa permeável; e infiltrar espontaneamente pelo menos uma porção da massa permeável com metal da matriz fundido.
2, - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de proporcionar uma atmosfera infiltrante em comunicação com massa permeável e/ou o metal da matriz fundido, durante pelo menos uma parte do período de infiltração.

-553. - Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de fornecer um precursor de intensificador da infiltração e/ou um intensificador da infiltração ao metal da matriz fundido e/ou ao metal da matriz em põ e/ou ao enchimento e/ou ã atmosfera infiltrante.
4. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de fornecer um precursor de intensificador da infiltração e/ou um intensificador da infiltração ao metal da matriz fundido e/ou ao material de enchimento e/ou ao metal da matriz em põ.
5. - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração e/ou o intensificador da infiltração serem fornecidos por uma fonte externa.
6. - Processo de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pêlo facto de compreender ainda a fase de estabelecer o contacto de pelo menos uma porção da massa permeável com um precursor de intensificador da infiltração e/ou um intensificador da infiltração durante pelo menos uma parte co período de infiltração.
7. - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracte-56rizado pelo facto de o intensificador da infiltração ser formado pela reacção de um precursor de intensificador da infiltração e pelo menos uma espécie escolhida no grupo formado pela atmosfera infiltrante, o material de enchimento e o metal da matriz fundido.
8.- Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo facto de, durante a infiltração, o precursor de intensificador da infiltração se volatilizar.
9. - Processo de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração volatilizado reagir para formar um produto da reacção pelo menos numa porção do material de enchimento.

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10. - Processo de acordo com a reivindicação 9, caracteri zado pelo facto de o produto da reacção ser pelo menos parcialmente redutível pelo metal da matriz fundido.
11. - Processo de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo facto de o produto da reacção revestir pelo menos uma porção do material de enchimento.
12. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de a massa permeável compreender um pré-molde.
13.-57,

13.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de definir um limite de superfície do material de enchimento com uma barreira, infiltrando-se metal da matriz espontaneamente até à barreira.
14.- Processo de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo facto de a barreira compreender um material escolhido no grupo formado pelo carbono, a grafite e o diboreto de titânio.
15.- Processo de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo facto de a barreira ser substancialmente não molhável pelo metal da matriz.
16.- Processo de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo facto de a barreira compreender pelo menos um material que permite a comunicação entre uma atmosfera infiltrante e o metal da matriz fundido e/ou o material de enchimento e/ou o metal da matriz em põ e/ou um intensificador de infiltração e/ou um precursor de intensificador de infiltração.
17.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de compreender pelo menos um material escolhido no grupo formado por pós, flocos, plaquetas, microesferas, filamentos emaranhados^pérolas, fibras, partículas, mantos de fibras, fibras cortadas, esferas, grânulos, túbulos e tecidos refractãrios.

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18.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o material de enchimento ter uma solubilidade limitada no metal da matriz fundido.
19.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o material de enchimento compreender pelo menos um material cerâmico.
20. - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o metal da matriz compreender alumínio, o precursor de intensificador da infiltração compreender pelo menos um material escolhido no grupo formado pelo magnésio, o estrôncio e o cálcio e a atmosfera infiltrante compreender azoto.
21. - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o metal da matriz compreender alumínio, o precursor de intensificador de infiltração compreender zinco e a atmosfera infiltrante compreender oxigénio.
22.- Processo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo facto de o intensificador da infiltração e/ou c precursor de intensificador da infiltração serem proporcionados num limite entre o material de enchimento e o metal da matriz fundido.
23.-59

23. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de um precursor de intensificador da infiltração formar uma liga com o metal da matriz fundido.
24. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o metal da matriz fundido compreender alumínio e pelo menos um elemento de liga escolhido no grupo formado pelo silício, o ferro, o cobre, o manganês, o crómio, o zinco, o cálcio, o magnésio e o estrôncio.
25. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de um precursor de intensificador da infiltração e/ou um intensificador da infiltração serem proporcionados no metal da matriz em pó e no material de enchimento.
26. - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração e o intensificador da infiltração serem proporcionados no metal da matriz fundido, e/ou no material de enchimento, e/ou no metal da matriz em pó e/ou na atmosfera infiltrante.
27. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de a temperatura durante a infiltração espontânea ser superior ao ponto de fusão do metal da matriz fundido e do metal da matriz em pó, mas inferior à temperatura de volatili-60- zação do inetal da matriz fundido e do metal da matriz em pó e ao ponto de fusão do material de enchimento.
28.- Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo facto de a atmosfera infiltrante compreender uma atmos fera escolhida no grupo formado pelo oxigénio e o azoto.
29.- Processo' de acordo com a reivindicação 3, caracteri zado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração compreender um material escolhido no grupo formado pelo magnésio, o estrôncio e o cãlcio.
30.- Processo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado Ρθΐο facto de o metal da matriz fundido compreender alumínio e o material de enchimento compreender um material' escolhido no grupo formado pelos óxidos, os carbonetos, os boretos e os nitretos.
31.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o metal da matriz em pó compreender pelo menos um material escolhido no grupo formado por pôs, plaquetas, filamentos e emaranhados e fibras.
32.- Processo de acordo com as reivindicações 1, 3 ou 4, caracterizado pelo facto de o metal da matriz em pó ser proporcio-61- nado como um revestimento sobre o material de enchimento.
33. - Processo de acordo com as reivindicações 1, 3 ou 4, caracterizado pelo facto de o metal da matriz em po e o metai da matriz fundido serem constituídos por metais diferentes.
34. - Processo de acordo com as reivindicações 1, 3 ou 4, caracterizado pelo facto de o metal da matriz em pó e o metal da matriz fundido serem constituídos substancialmente pelo mesmo metal.
35. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o metal da matriz em põ e o material de enchimento serem misturados de maneira substancialmente homogénea para formar a massa permeável.
36.- Processo de acordo com a reivindicação 35, caracterizado pelo facto de a massa permeável compreender cerca de 1 a 75 por cento, em volume, de metal da matriz em põ.
37.- Processo de acordo com a reivindicação 35, caracterizado pelo facto de a massa permeável compreender cerca de 25 a 75 por cento, em volume, de metal da matriz em pó.
38.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de a relação entre o metal da matriz em põ e o

-62material de enchimento variar dentro da massa permeável, de modo que resulta um compósito com matriz de metal com uma carga de partículas variável. '
39.- Processo de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo facto de o pré-molde ser formado pela aglutinação do metal da matriz em pó e do material de enchimento, usando um ligante escolhido no grupo formado pela cera, a cola e a água.
40. - Processo de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo facto de o pré-molde ser formado por moldação a partir de uma pasta fluida.
41. - Processo de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo facto de o pré-molde ser formado por moldação por dispersão.
42·- Processo de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo facto de se formar um pré-molde auto-suportado por prensagem a seco,