PT92256B

PT92256B - Processo de modelacao de compositos com matriz de metal usando uma tecnica de moldacao por imersao e produtos produzidos por esse processo

Info

Publication number: PT92256B
Application number: PT92256A
Authority: PT
Inventors: Marc Stevens Newkirk
Original assignee: Lanxide Technology Co Ltd
Priority date: 1988-11-10
Filing date: 1989-11-09
Publication date: 1995-07-18
Also published as: DK558989A; PH26168A; FI91491B; CN1042491A; US5000249A; EP0368787B1; NO893986D0; IE63965B1; AU623929B2; ZA898539B; NO893986L; NO176348B; RO106391B1; AU4165689A; NZ231081A; JPH02243731A; PT92256A; NO176348C; DE68913433D1; DE68913433T2

Description

PROCESSO DE MODELAÇÃO DE COMPÕSITOS COM MATRIZ DE METAL

USANDO UMA TÉCNICA DE MOLDAÇÃO POR IMERSÃO E PRODUTOS

PRODUZIDOS POR ESSE PROCESSO

A presente invenção refere-se a um processo novo para a formação de corpos compósitos com matriz de metal. Em particular, molda-se uma massa permeável de material de enchimen to como pré-molde. Um intensificador de filtração e/ou um pre cursor de intensificador de infiltração e/ou uma atmosfera de infiltração estão também em comunicação com o pré-molde, pelo menos em algum instante durante o processo, o que permite que metal de matriz fundido se infiltre expontaneamente no molde , quando o pré-molde é colocado no metal da matriz fundido. Pode também usar-se um meio para manter o pré-molde peio menos parcialmente abaixo da superfície do metal da matriz fundido.

Os produtos compósitos que compreendem uma matriz de metal e uma fase de reforço, por exemplo, partículas, filamentos, fibras ou semelhantes, mostram ser muito promissores para uma variedade de aplicações porque combinam um pouco da rigidez e resistência ao desgaste da fase de reforço com a ductilidade e a tenacidade da matriz de metal. Geralmente, o compósito com matriz de metal mostrará uma melhoria das propriedades, tais co mo a resistência, a dureza, a resistência ao desgaste pelo contacto e manutenção da resistência a temperaturas elevadas em re lação ao metal da matriz na forma monolítica, mas o grau em que qualquer propriedade dada pode ser melhorada depende grandemente dos constituintes específicos, do seu volume ou percentagem

-2em peso do modo como são processados na formação do compósito.

Em alguns casos, o compósito pode também ser mais leve do que o próprio metal da matriz. Os compósitos de cerâmica reforça, dos com uma matriz de alumínio, tais como, de carbonato de si. lício, na forma de partículas, plaquetas ou filamentos, por exemplo, têm interesse por causa da sua maior dureza, maior re sistência ao desgaste e maior resistência à alta temperatura em relação ao alumínio.

Vários processos metalúrgicos têm sido descritos para a fabricação de compósitos com matriz de alumínio, incluindo pro cessos baseados na técnica de metalurgia dos pós e nas técnicas de infiltração de metal líquido, que empregam a moldação por pres são, moldação por vazio, agitação e agentes humedecedores. Com as técnicas de metalurgia dos pós o metal na forma de pó, filamentos ou fibras cortadas, etc., é misturado e, depois comprimi, do a frio e sinterizado ou comprimido a quente. A percentagem máxima, em volume, de cerâmica nos compósitos de cerâmica refor çados com matriz de alumínio, de carboneto de silício produzidos por esse processo tem sido referido como sendo ã volta de 25 por cento, em volume, no caso dos filamentos e cerca de 40 por cento, em volume, no caso das partículas.

A produção de compósitos com matriz de metal pelas técnicas de metalurgia dos pós, utilizando processos convencionais impõe certas limitações relativamente âs características dos produtos que se podem obter. A percentagem em volume, da fase cerâmica no compósito é limitada, tipicamente no caso das parti, cuias, a cerca de 40 por cento. Também, a operação de compres são possui um limite relativamente às dimensões práticas que podem obter-se. Apenas são possíveis formas do produto relati-3vamente simples, sem processamento subsequente ( por exemplo , conformação ou maquinagem) ou sem recorrer a prensas complexas. Também pode verificar-se uma contracção não uniforme durante a sinterização, bem como não uniformidade da microestrutura, devi do à segregação de compactos e crescimento de grãos.

A patente norte-americana N° 3.970.136, concedida em 20 de Junho de 1976 a J. C. Cannell e outros, descreve um processo para formação de um compósito com matriz de metal que incorpora um reforço de fibras, por exemplo filamentos de carboneto de si. lício ou alumina, tendo uma configuração pre-determinada da orientação das fibras. O compósito ê feito colocando mantos de fibras paralelas complanares num molde com um reservatório de metal da matriz fundido, por exemplo alumínio, entre pelo menos alguns dos mantos e aplicando uma pressão para forçar o metal fundido a penetrar nos mantos e envolver as fibras orientadas.

metal fundido pode ser vazado na pilha de esteiras enquanto es tá sendo sujeito ã pressão, para circular entre os mantos. Têm sido referidos valores da carga de enchimento de fibras de refo£ ço no compósito até cerca de 50%, em volume.

O processo de infiltração atrás descrito, tendo em conta a sua dependência da pressão externa para forçar o metal da matriz fundido através da pilha de mantos de fibras, está sujei to às imprecisões dos processos de escoamento induzido por pres são, isto é, à possível não uniformidade da formação da matriz, da porosidade, etc. A não uniformidade das propriedades é possível mesmo que o metal fundido possa ser introduzido numa multiplicidade de locais dentro do conjunto das fibras. Consequen temente, ê necessário proporcionar conjuntos de mantos/reservatórios e trajectos de escoamento complicados para se obter uma penetração adequada e uniforme da pilha de mantos de fibras . Também, o processo de infiltração-pressão antes citado apenas permite obter um reforço relativamente baixo da percentagem em volume, da matriz, por causa da dificuldade inerente ã infiltração de um grande volume de mantos. È ainda necessário que os moldes contenham o metal fundido sob pressão, o que aumenta o custo do processo. Finalmente, o processo antes citado, limitado às partículas ou fibras infiltradas alinhadas, não é apropriado para a formação de compósitos com matriz de alumínio reforçados com materiais na forma de partículas, filamentos ou fibras orientados aleatoriamente.

Na fabricação de compósitos com material de enchimento , de alumina-matriz de alumínio, o alumínio não molha prontamente a alumina, tornando-se assim difícil formar um produto coerente. Várias soluções para esse problema têm sido sugeridas. Uma de_s sas soluções consiste em revestir a alumina com um metal ( níquel ou tungsténio) que é, então, prensado a quente junto com o alumínio. Noutra técnica, o alumínio é ligado com lítio e a alumina pode ser revestida com silica. Contudo, esses compós^i tos apresentam variações nas propriedades, ou a matriz contém lítio, que pode afectar as propriedades da matriz.

A patente norte-americana N° 4.232.091, de R. W. Grimshaw e outros, vence certas dificuldades na técnica encontradas na produção de compósitos de alumina com matriz de alumínio. Es sa patente descreve a aplicação de pressões de 75-375 kg/cm para forçar o alumínio fundido (ou a liga de alumínio fundido) a penetrar num manto de fibras ou de filamentos de alumina que foi pré-aquecido a 700 a 1050°C. A percentagem, em volume, máxima de alumina para metal na peça fundida sólida resultante era

-50,25/1. Devido ã sua dependência da força externa para a rea lização da infiltração, este processo está sujeito a muitas das deficiências do processo de Cannell e outros.

A Publicação de Pedido de Patente Europeu NS 115.742 descreve a fabricação de compósitos de alumina-alumínio, utilizáveis especialmente como componentes de células electrolíticas, pelo enchimento dos vazios de uma matriz de alumina pré-moldada com alumínio fundido. A referida patente realça a ausência do molhamento da alumina pelo alumínio, sendo portanto, usadas várias técnicas para molhar a alumina de todo o pré-molde. Por exemplo, reveste-se a alumina com um agente de molhamento de um diboreto de titânio, zircónio, háfnio ou nióbio ou com um metal, por exemplo, lítio, magnésio, cálcio, titânio , crómio, ferro, cobalto, níquel, zircónio ou háfnio. Utilizam-se atmosferas inertes, tais como, de árgon, para facilitar o molhamento. A patente referida mostra também a aplicação de pressão para fazer com que o alumínio fundido penetre numa matriz não revestida. Nesse aspecto, a infiltração é realizada pela evacuação dos poros e depois por aplicação de pressão ao alumínio fundido numa atmosfera inerte, por exemplo de árgon.

Em alternativa, a infiltração do pré-molde pode fazer-se por deposição de alumíno em fase de vapor, para molhar a superfície antes do enchimento dos vazios e da infiltração com alumínio fundido. Para assegurar a retenção do alumínio nos poros do pré-molde, é necessário um tratamento térmico, por exemplo a 1400

O ^x a 1800 C, no vazio, ou em árgon. Por outro lado, a exposição do materail infiltrado sob pressão ao gás ou a remoção da pre£ são de infiltração causará a perda de alumínio do corpo.

O uso de agentes de molhamento para efectuar a infiltra

-6ção de um componente de alumina numa célula electrolitica com um metal fundido é também apresentado no pedido de patente Eu ropeu N° 94353 . Essa publicação descreve a produção de alumí. nio por recuperação, por electrólise, de metais em solução ou uma célula com um alimentador de corrente catódico bem como um revestimento ou substrato da célula. A fim de proteger esse substrato da criolite fundida, aplica-se um revestimento fino de uma mistura de um agente de molhamento e um supressor de so lubilidade no substrato de alumina antes de a célula ficar pron ta ou enquanto inerte no alumínio fundido produzido pelo processo elecfrolítico. são agentes de molhamento conhecidos o ti tânio, o zircónio, o háfnio, o silício, o magnésio, o vanadio, o crómio, o nióbio, o cálcio, sendo o titânio referido como o agente preferido. Descrevem-se como sendo utilizáveis, na supressão da solubilidade dos agentes de molhamento no alumínio derretido fundido, compostos de boro, carbono e azoto. Mas a referida patente, não sugere a produção de compósitos com matriz de metal nem sugere a formação desses compósitos, por exemplo, numa atmosfera de azoto.

Além da aplicação de pressão e de agentes de molhamento, tem sido divulgado que o vácuo aplicado auxiliará a penetração do alumínio fundido num compacto cerâmico poroso. Por exemplo, a patente norte-americana N° 3.718.441, concedida em 27 de Fevereiro de 1973 a R. L. Landingham, relata a infiltra ção de um compacto cerâmico (por exemplo, carboneto de boro , alumina e berília) por alumínio, berílio, magnésio, titânio , vanãdio, níquel ou crómio fundidos, sob um vazio de 10 torr.

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Um vácuo de 10 a 10 torr conduzia a um molhamento pobre da cerâmica pelo metal fundido até ao ponto de o metal não circular livremente nos espaços vazios da cerâmica. Contudo, considerou-se que o molhamento foi melhorado quando se reduziu o vácuo para menos de 10 & torr.

A patente norte-americana N° 3.864.154, concedida em de Fevereiro de 1975, a G. E. Gazza e outros, também mostra o uso do vácuo para se obter infiltração. Essa patente descre ve a carga de um compacto, prensado a frio, de pó de Alb^ num leito de pó de aiuminio prensado a frio. O cadinho carregado com o compacto de AlB^ intercalado entre as camadas de pó de alumínio, foi colocado num forno de vácuo. 0 forno foi eva -5 cuado ate aproximadamente 10 torr, para permitir o escoamento dos gases. A temperatura foi subsequentemente elevada para 1100°C e mantida por um período de 3 horas. Nessas condições, o alumínio fundido penetrou no compacto poroso de AlB^·

A patente norte-americana N° 3.364.976, concedida em 23 de Janeiro de 1968, a John N. Reding e outros, divulga o con ceito de criação de um vazio para melhorar a penetração de metal fundido no corpo. Especificamente, é divulgado que um corpo, por exemplo, um molde de grafite, um molde de aço ou um material refractário poroso é inteiramente submerso no metal derretido. No caso de um molde, a cavidade do molde, preenchida com gás reactivo com o metal, comunica com o metal fundido loca lizado permanentemente através de pelo menos um orifício no mol de. Quando o molde estã imerso no fundido, o enchimento da cavidade ocorre à medida que se produz o vazio auto-gerado, pela reacção entre o gás na cavidade e o metal fundido. Em particular, o vazio é o resultado da formação de uma forma oxidada sólida do metal. Assim, Reding e outros divulgam que é essencial induzir uma reacção entre o gãs na cavidade e o metal fundido .

-8Contudo, a utilização de um molde para criar um vazio pode ser indesejável por causa das limitações inerentes associadas com o uso de um molde. Os moldes devem ser primeiro maquinados para obter uma forma particular, depois acabados, maquinados para pro duzir uma superfície de fundição aceitável no molde, depois montados, antes do seu uso, a seguir desmontados após o seu uso para remover a peça fundida do mesmo e, em seguida, recuperar o mol de, o que, mais provavelmente incluirá o aperfeiçoamento da super fície do molde ou o abandono do molde se não for mais aceitável para uso. A maquinagem de um molde para obter uma forma complexa pode ser muito cara e demorada. Além disso, a remoção de uma peça moldada de um molde de forma complexa pode também ser difícil (por exemplo moldes de ligas com uma forma complexa podem partir^ -se quando se desmoldam). Ainda, embora se sugira que o material refractário poroso pode ser imerso directamente no metal fundido, sem a necessidade de um molde, o material refractário terá de ser uma peça integral porque não há providências para infiltração de um material poroso separado ou solto, com o uso de um molde de re cipiente (isto é, julga-se geralmente que o material em partículas tipicamente se dissociaria ou flutuaria quando colocado no me tal fundido). Ainda, se for desejado infiltrar material em parti, cuias ou um pré-molde moldado livremente, devem tomar-se precauções de modo que o metal de infiltração não desloque pelo menos porções das partículas ou o pré-molde, donde resulta uma microes trutura não homogénea.

Consequentemente, existe uma necessidade há muito sentida de um processo simples e confiável, para produzir compósitos com matriz de metal moldados que não dependa do uso da pressão ou vazio aplicados (quer aplicado exteriormente, quer criado inter-9namente), ou agentes de molhamento prejudiciais para criar uma ma triz de metal embebida noutro material, tal como um material cerâmico. Além disso, há uma necessidade há muito sentida de minimizar o número de operações de maquinagem ulteriores necessárias para produzir um corpo compósito com matriz de metal. A presente invenção satisfaz essas necessidades proporcionando um mecanismo de infiltração expontânea para infiltração de materiais (por exem pio, um material cerâmico), que pode ser formado com um pré-molde, com metal de matriz fundido (por exemplo, alumínio), na presença de uma atmosfera de infiltração (por exemplo de azoto) sob pressões atmosféricas normais, desde que um intensificador de in filtração esteja presente pelo menos em alguns instantes durante o processo.

assunto da presente invenção está relacionado com os diversos outros pedidos de patente do mesmo proprietário. Em parti, cular, aqueles outros pedidos de patente copendentes descrevem no vos processos para a fabricação de materiais compósitos com matriz de metal (de aqui em diante algumas vezes referidos como pedidos de patente de matriz de metal) do mesmo proprietário.

Um novo processo para a fabricação de um material compósito com matriz de metal é divulgado no pedido de patente dos Es tados Unidos do mesmo proprietário N° de Série 049.171, deposita do em 13 de Maio de 1987, em nome de White e outros e intitulado Compósitos com matriz metálica, agora concedido nos Estados Un_i dos. De acordo com o processo da invenção de White e outros, um compósito com matriz de metal é produzido pela infiltração de uma massa permeável de material de enchimento (por exemplo, uma cerâ mica ou um material revestido com cerâmica) com alumínio fundido contendo pelo menos cerca de 1 por cento, em peso, de magnésio e,

-10de preferência, pelo menos cerca de 3 por cento, em peso, de magnésio. A infiltração ocorre espontaneamente sem aplicação de pressão ou vazio exteriores. Um suprimento de liga de metal fundido é posto em contacto com a massa de material de en chimento a temperatura de pelo menos cerca de 675°C, na presença de um gás compreendendo cerca de 10 a 100 por cento e, de preferência, cerca de 50 por cento, em volume, de azoto e o restante de gás, que é um gás não oxidante, por exemplo, ãr gon. Nessas condições, a liga de alumínio fundido infiltra-se na massa cerâmica às pressões atmosféricas normais, para formar um compósito com matriz de alumínio (ou liga de alumínio) . Quando se tiver infiltrado a quantidade desejada de ma terial de enchimento na liga de alumínio fundido, baixa-se a temperatura para solidificar a liga, formando-se assim uma estrutura de matriz de metal sólida que embebe o material de enchimento de reforço. Usualmente e de preferência, o suprimento de liga fundida distribuído será suficiente para permitir que a infiltração se processe substancialmente até os limites da massa de material de enchimento. A quantidade de material de enchimento nos compósitos com matriz de alumínio produzidos de acordo com a invenção de White e outros pode ser substancia.1 mente grande. A este respeito pode obter-se uma relação volumétrica de material de enchimento e da liga superior a 1:1.

Nas condições do processo da invenção de White e outros acima referida, pode formar-se nitreto de alumínio como fase descontínua, dispersa por toda a matriz de alumínio. A quantidade de nitreto de alumínio pode variar, em função de factores como a temperatura, a composição da liga, a composição do gás e o material de enchimento. Assim, pelo controlo de um ou mais

-11desses factores no sistema é possível predeterminar certas pro . » priedades do compósito. Porém, para algumas aplicações e uti. lizações finais, pode ser desejado que o compósito contenha pouco ou substancialmente nenhum nitreto de alumínio.

Tem sido observado que temperaturas mais elevadas favorecem a infiltração, mas tornam o processo mais susceptível ã formação de nitreto. A invenção de White e outros permite a escolha de um equilíbrio entre a cinética de infiltração e a formação de nitreto.

No pedido de patente US 141642 , copendente e do mesmo proprietário, depositado em 7 de Janeiro de 1988 em nome de Michael K. Aghajanian e outros intitulado Processo para a fabricação de um compósito com matriz de metal utilizando uma barrei, ra, descreve-se um exemplo de dispositivo de barreira adequado para ser usado na formação de um compósito com matriz de metal.

De acordo com o processo da invenção de Aghajanian e outros, co loca-se um dispositivo de barreira (por exemplo, diboreto de ti^ tânio em partículas ou material de grafite, tal como o produto de fita de grafite flexível vendido pela Union Carbide com a (r) designação comercial Grafoil no limite da superfície definido do material de enchimento , infiltrando-se a liga de matriz até ao limite definido pelo meio de barreira. 0 meio de barrei, ra é usado para inibir, impedir ou terminar a infiltração da li. ga 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 externa que corresponde substancialmente ã forma interna do meio de barreira.

processo do pedido de patente dos Estados Unidos NO de

Série 049.171 foi aperfeiçoado pelo pedido de patente dos Es- * tados Unidos copendente e do mesmo proprietário NQ de Série 168.284, depositado em 15 de Março de 1988, em nome de Michael K. Aghajanian e Marc S. Newkirk e intitulado Compósitos com matriz de metal e técnicas para fabricação dos mesmos. De acordo com os processos divulgados neste pedido de patente dos Estados Unidos, está presente uma liga de metal de matriz como primeira fonte de metal e como reservatório de liga de metal fundido, por exemplo, por acção da gravidade. Em particular , nas condições descritas nesse pedido de patente, a primeira fon te de liga de matriz . fundida começa a infiltrar-se na massa de material de enchimento a pressões atmosféricas normais, e co meçando assim a formação de um compósito com matriz de metal.

A primeira fonte de liga de metal da matriz fundida é consumida durante a sua infiltração na massa de material de enchimento e, se se desejar, pode ser reabastecida, de preferência por um meio contínuo, a partir do reservatório de metal da matriz fundida, ã medida que a infiltração espontânea continua. Quando se tiver infiltrado espontaneamente numa quantidade desejada de material de enchimento permeável a liga de matriz fundida, baixa-se a temperatura para solidificar a liga, formando-se assim uma estrutura sólida de matriz de metal que embebe o material de enchimento de reforço. Deve entender-se que o uso de um re servatório de metal é simplesmente uma forma de realização da invenção descrita nesse pedido de patente, não sendo necessário combinar a forma de realização com o reservatório com cada uma das formas de realização alternativas da invenção nele divulgadas, algumas das quais poderiam também ser benéficas quando usa das em combinação com a presente invenção.

-130 reservatório de metal pode estar presente numa quan ' tidade tal que proporciona uma quantidade suficiente de metal para se infiltrar na massa permeável de material de enchimento até um ponto pré-determinado. Em alternativa, pode colocar-se, um meio optativo de barreira em contacto com a massa permeável de material de enchimento pelo menos num dos seus lados para definir a superfície limite.

Além disso, embora o suprimento de liga de matriz fundida distribuída deva ser pelo menos suficiente para permitir que a infiltração espontânea se processe substancialmente até aos limites (por exemplo, até ã barreira) da massa permeável de material· de enchimento, a quantidade de liga presente no re servatório poderia exceder essa quantidade suficiente de modo que não só haverá uma quantidade suficiente de liga para a infiltração completa, como também poderia ficar e ser retida liga de metal fundida em excesso no corpo compósito com matriz de metal. Assim, quando estiver presente liga fundida em excesso, o corpo resultante será um corpo compósito complexo (por exemplo, um macrocompósito) no qual um corpo cerâmico infiltrado, tendo incluída uma matriz de metal, estará directamente ligado ao metal em excesso que permanece no reservatório.

Todos os pedidos de patente de matriz de metal do mesmo proprietário atrás discutidos descrevem processos para a pro dução de corpos compósitos com matriz de metal e novos corpos compósitos com matriz de metal que são produzidos pelos mesmos. Todas as descrições completas de todos os pedidos de patente de matriz de metal do mesmo proprietário anteriores são aqui expressamente incorporados por referência.

Um corpo compósito com matriz de metal é produzido por

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infiltração espontânea de uma massa permeável de material de enchimento, que foi formado como pré-molde. Especificamente, funde-se o metal de matriz, que é mantido dentro de um vaso não reactivo apropriado por conter metais de matriz (por exem pio, um recipiente refratário adequado) para formar uma massa líquida de metal de matriz fundido. O pré-molde pode então ser colocado no metal de matriz fundido para se obter infiltra ção espontânea. Um intensificador de infiltração e/ou um precrusor de intensificador de infiltração e/ou uma atmosfera de infiltração também ficam em comunicação com o pré-molde, pelo menos em algum instante durante o processo, permitindo assim que o metal da matriz fundido se infiltre espontanemante no pré-molde, quando o pré-molde é colocado no metal de matriz fun dido.

pré-molde pode ter a tendência natural para flutuar próximo de, ou à superfície do metal da matriz fundido, devido ã sua natural flutuabilidade em relação ao metal de matriz fun dido. Pode no entanto ser desejável submegir completamente o pré-molde no metal de matriz fundido. Contudo, antes dessa submersão completa, o pré-molde, de preferência, conterá o intensificador de infiltração e/ou o precursor de intensificador de infiltração. Nessas condições o metal da matriz fundido in filtrar-se-á espontanemante no pré-molde submerso. Em alterna tiva, o metal de matriz fundido pode conter um intensificador de infiltração ou um precursor de intensificador de infiltração, além de, ou em vez de o intensificador de infiltração ou o precursor de intensificador de infiltração no pré-molde. Se o precursor de intensificador de infiltração for incluído apenas no metal de matriz fundido, deve proporcionar-se qualquer meio

-15para colocar esse precursor em contacto com outro material (por exemplo, uma atmosfera de infiltração que poderia fazer-se borbulhar no metal de matriz fundido).

Numa forma de realização preferida, um pré-molde molda do pode ser feito por inclusão de um material de enchimento que compreende um precursor de intensificador de infiltração e um material cerâmico dentro de um molde. Podem depois expor-se o material de enchimento moldado e o precursor de intensificador de infiltração a uma atmosfera de infiltração para enrijecer o pré-molde e formar o intensificador de infiltração no interior do pré-molde. Pode em seguida submergir-se o pré-molde, agora contendo o intensificador de infiltração no metal da matriz fun dido, por um meio apropriado para submergir amovivelmente o pré -molde no metal da matriz. Por exemplo, o pré-molde pode estar contido numa gaiola removível que força fisicamente o pré-molde para baixo da superfície do metal da matriz fundido, ou o pré-molde pode prender-se num meio de lastro, que se opõe à flutua bilidade do pré-molde em relação ao metal da matriz fundido. In dependentemente do meio usado para submergir amovivelmente o pr£ -molde, se seproporcionar pelo menos um intensificador de infiltração no pré-molde, pode não ser já necessária a atmosfera de infiltração para se obter a infiltração espontânea do metal da matriz fundido no pré-molde. Contudo, essa atmosfera de infiltra, ção ser, no mínimo, uma atmosfera inerte, que pode ainda ser ne cessaria para que se mantenha não reactiva uma superfície da mas. sa líquida de metal da matriz que contacta a atmosfera.

Além disso, é possível que além do mecanismo de infiltra ção espontânea, possa verificar-se também uma tendência para criar um vazio auto-gerado dentro do pré-molde submerso (por

-16exemplo, pode o metal da matriz fundido reagir com a atmosfera re tida no pré-molde, criando assim uma tendência para o metal da matriz fundido se infiltrar no pré-molde).

Deve notar-se que a presente invenção descreve principal, mente metais de matriz de alumínio que, em algum instante durante a formação do corpo compósito com matriz de metal, ficam em contacto com magnésio, que funciona como o precursor de intensificador de infiltração, na presença de azoto, que funciona como atmosfera de infiltração. Assim, o sistema de metal da matriz/pre cursor de intensificador de infiltração/atmosfera de infiltração constituído por alumínio/magnésio/azoto, apresenta a infiltração espontânea. Contudo, outros sistemas de metal de matriz/precursor de intensificador de infiltração/atmosfera de infiltração podem também comportar-se de maneira similar à do sistema de alumínio/ magnésio/azoto. Por exemplo, o comportamento de infiltração espon tãnea foi observado no sistema de alumínio/estrôncio/azoto, no sistema de alumínio/zinco/ oxigénio e no sistema de alumínio/cá_l cio/azoto. Consequentemente, embora se discuta aqui principalmen te o sistema de alumínio/magnésio/azoto compreender-se-â que outros sistemas de metal de matriz/precursor de intensificador de infiltração/atmosfera de infiltração se comportam de maneira similar .

Quando o metal da matriz compreende uma liga de alumínio, a liga de alumínio pode ficar em contacto com um pré-molde que compreende um material de enchimento (por exemplo, partículas de aiumina ou carboneto de silício), tendo o material de enchimento com ele misturado com e/ou ficando algum instante durante o processo exposto ao magnésio. Além disso, numa forma de realização preferida, a liga de alumínio e o pré-molde estão contidos numa atmosfera de azoto durante pelo menos uma parte do processo.

pré-molde será assim infiltrado espontaneamente pelo metal de matriz e a extensão ou a taxa de infiltração espontânea e a formação do compósito com matriz de metal variarão com um dado conjunto de condições do processo, incluindo, por exemplo, a concentração de magnésio proporcionado ao sistema (por exemplo, na liga de alumínio e/ou no pré-molde e/ou na atmosfera de infiltração) , as dimensõese/ou a composição das partículas no pré-molde, a concentração de azoto na atmosfera de infiltração, o tempo permitido para a infiltração e/ou a temperatura a que a in filtração ocorre. A infiltração espôntanea ocorre, tipicamente, até um grau suficiente para embeber de maneira substancial comple ta o pré-molde com metal da matriz.

Definições

Alumínio, como aqui é usado, significa e inclui o metal essencialmente puro (por exemplo, um alumínio sem liga, rela tivamente puro, comercialmente disponível), ou outros graus de metal e ligas de metal, 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 alumí. nio para fins da presente definição é uma liga ou composto inter; metálico em que alumínio é o constituinte principal.

Meio de lastro ou Meio para lastro, como aqui ê usado, significa um dispositivo que equilibra a flutuabilidade natu ral do pré-molde em relação ao metal de matriz fundido, de modo que, quando se fixa esse meio é preso no pré-molde, este ê manti. do num ponto abaixo da superfície da liga de matriz fundida.

Gás não oxidante de equilíbrio, como aqui ê usado, significa qualquer gãs presente, além do gãs principal que constitui a atmosfera de infiltração que seja um gás inerte ou um gás de redução, que seja substancialmente não reactivo com o metal de matriz nas condições do processo. Qualquer gás oxidante que pudesse estar presente como a impureza no(s) gás(es) usado(s) seria suficiente para oxidar o metal da matriz, em qualquer grau substancial, nas condições do processo.

Barreira ou Meio de barreira, como aqui é usado , significa qualquer meio adequado que interfere, inibe ou impede ou termina a migração, o movimento, ou similar, de metal da matriz fundido para além de um limite de superfície de uma massa permeável do material de enchimento ou do pré-molde, sendo esse limite de superfície definido pelo meio de barreira. Um meio de barreira adequado pode ser qualquer material composto, elemento, composição ou semelhante que, nas condições do proces so, mantém uma integridade, que não é substancialmente volátil (isto é, o material de barreira não se volatiza até um ponto tal que seja tornado não funcional como uma barreira.

Ainda, um meio de barreira adequado inclui materiais que são substancialmente não molháveis pela migração do metal da matriz fundido nas condições do processo empregadas. Uma barreira desse tipo parece mostrar substancialmente pouca ou nenhuma afinidade para os metais da matriz fundidos, sendo o movimento para além do limite de superfície definido da massa de material de enchimento ou do pré-molde impedido ou inibido pelo meio de barreira. A barreira reduz toda a maquinagem ou rectificação finais que possam ser requeridas e define pelo me nos uma porção da superfície do produto compósito com matriz de metal resultante. A barreira pode, em certos casos, ser per meável ou porosa ou tornada permeável, por exemplo, pela aber-18-

-19* tura de furos ou pela perfuração da barreira, para permitir que o gás contacte com o metal da matriz fundido.

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

Material de enchimento, como aqui é usado, destina-se a incluir outros constituintes individuais ou misturas de constituintes substancialmente não reactivos com e/ou de solubilidade limitada no metal da matriz e pode ser de fase única ou múltipla. 0 material de enchimento pode ser proporcionado numa ampla variedade de formas, tais como, pós, flocos, plaque tas, microesferas, filamentos, peletes , etc., e podem ser densos ou porosos. O material de enchimento também pode incluir materiais de enchimento cerâmicos, tais como, alumina ou carboneto de silício, na forma de fibras contínuas, fibras cortadas, partículas, filamentos, peletes, esferas, mantos de fibras ou semelhantes, no material de enchimento, revestidos com cerâmica, tais como, fibras de carbono revestidas com alu mina ou carboneto de silício, para proteger o carbono do ataque, por exemplo, por um metal original de alumínio fundido .

Os materiais de enchimento também podem incluir metais.

Atmosfera de infiltração, como aqui é usado, signifi_ ca a atmosfera que estã presente e que interage com o metal da matriz e/ou o pré-molde (ou o material de enchimento) e/ou o

-20.¼ precursor de intensificador de infiltração e/ou o intensificador de infiltração e permite que a infiltração espontânea do metal de matriz ocorra ou se intensifique.

Intensificador de infiltração, como aqui é usado significa um material que promove ou auxilia a infiltração espontânea do metal de matriz num material de enchimento ou pré-molde. O intensificador de infiltração pode ser formado, por exemplo por uma reacção de um precursor de intensificador de infiltração com uma atmosfera de infiltração para formar: (1) uma espécie gasosa e/ou (2) um produto da reacção do precursor de intensificador de infiltração e/ou um produto da reacção do precursor de intensificador de infiltração e do material de en chimento no pré-molde. Além disso, o intensificador de infiltração pode ser fornecido directamente pelo pré-molde e/ou ao metal da matriz e/ou à atmosfera de infiltração, funcionando de maneira substancialmente similar a um intensificador de infiltra ção que foi formado por uma reacção entre o precursor de infiltração e outras espécies. Finalmente, pelo menos durante a in filtração espontânea, o intensificador de infiltração estará localizado em pelo menos uma porção do material de enchimento ou do pré-molde para obter a infiltração espontânea.

Precursor de intensificador de infiltração ou precursor para o intensificador de infiltração, como aqui é usado , significa um material que, quando usado em combinação com o metal da matriz, o pré-molde e/ou a atmosfera de infiltração, for me um intensificador de infiltração que induz ou auxilia o metal de matriz a infiltrar-se espontaneamente no material de enchimento ou no pré-molde. Sem desejar ficar limitado por qualquer teoria ou explicação particular, parece, contudo, que deve

-21c ser necessário que o precursor do intensificador de infiltra- ' ção seja capaz de ser posicionado, localizado ou transportado para um sítio que permita ao precursor de intensificador de infiltração interagir com a atmosfera de infiltração e/ou com o pré-molde ou material de enchimento e/ou o metal. Por exemplo, em alguns sistemas de metal de matriz/precursor de intensificador de infiltração/atmosfera de infiltração, é desejável que o precursor de intensificador de infiltração se volatilize próximo de, ou, em alguns casos, um pouco acima da temperatura a que o metal de matriz funde. Essa voiatilização pode levar a: (1) uma reacção do precursor de intensificador de infiltração na atmosfera de infiltração para formar uma espécie gasosa que melhora o molhamento do material de enchimento ou do pré-molde pelo metal de matriz; e/ou (2) uma reacção do precursor de intensificador de infiltração com a atmosfera de infiltração, para formar um intensificador de infiltração sólido, líquido ou gasoso em pelo menos uma porção do material de enchimento ou do pré-molde que melhora o molhamento; e/ou (3) uma reacção do pr£ cursor de intensificador de infiltração dentro do material de enchimento ou do pré-molde que forma um intensificador de infi_l tração sólido, líquido ou gasoso em pelo menos uma porção do ma terial de enchimento ou do pré-molde, que melhora o molhamento.

Metal da matriz ou Liga de metal da matriz, como aqui é usado, significa o metal que é utilizado para formar um compósito com matriz de metal (por exemplo, antes da infiltração) e/ou o metal que é misturado com um material de enchimento para formar um corpo compósito com matriz de metal (por exem pio, após a infiltração). Quando um metal especificado é mencionado como metal de matriz, deve entender-se que esse metal

da matriz inclui aquele metal como um metal essencialmente puro, um metal comercialmente disponível com impurezas e/ou cons tituintes de liga, um composto intermetálico ou uma liga em que aquele metal é o constituinte principal ou predominante.

Sistema de metal de matriz/precursor de intensificador de infiltração/atmosfera de infiltração ou Sistema espontâneo , como aqui é usado, refere-se ã combinação de materiais que apresenta infiltração espontânea num pré-molde ou num mate rial de enchimento. Deve entender-se que quando o sinal / aparece entre; metal da matriz exemplificativo, o precursor de intensificador de infiltração e a atmosfera de infiltração, es se sinal é usado para designar um sistema ou combinação de materiais que, quando combinados de maneira particular, apresentam infiltração espontânea num pré-molde ou num material de en chimento.

Meio para submergir amovivelmente ou Meio para submersão amovível, como aqui é usado, significa um dispositivo que se prende ou suporta pelo menos um pré-molde de modo que esse meio pode, pelo menos parcialmente, submergir o pré-molde abaixo da superfície de uma massa líquida de liga da matriz fundida.

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

Um metal diferente do metal da matriz significa um

-23metal que não contém, como constituinte principal, o mesmo me , tal que o metal da matriz (por exemplo, se o constituinte prin cipal do metal de matriz for alumínio, o metal diferente po deria ser um constituinte principal de, por exemplo níquel).

Vaso não reactivo para conter o metal da matriz significa qualquer vaso que possa abrigar ou conter metal da matriz fundido nas condições do processo e não reagir com a matriz e/ou a atmosfera de infiltração e/ou o precursor de intensificador de infiltração de maneira significativamente prejudicial para o mecanismo de infiltração espontânea.

Pré-molde ou Pré-molde permeável, como aqui é usado, significa uma massa de enchimento ou um material de enchimento porosos fabricados com pelo menos um limite de superfície que define essencialmente um limite para a infiltração do metal da matriz, tendo essa massa integridade de forma e resistência em verde suficientes para proporcionar uma fidelidade dimensio nal antes de ser infiltrada pelo metal da matriz. A massa deve ser suficientemente porosa para permitir a infiltração esponta nea do metal da matriz nele existente. Um pré-molde compreende tipicamente um conjunto ligado ou uma disposição de enchimento, homogéneo ou heterogéneo, podendo ser constituído por qualquer material adequado (por exemplo, partículas de cerâmica e/ou metal, pós, fibras, filamentos, etc. e qualquer combinação dos mesmos). Um pré-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 massa de modo que, quando o metal fundir, ele pode fluir para reabastecer ou, em alguns casos, proporcionar inicialmente e subsequen

-24~ ΐ temente reabastecer a porção, segmento ou fonte de metal de ma triz que está em contacto com o material de enchimento ou o pré-molde.

Infiltração espontânea, como aqui é descrito, signi. fica infiltração de metal da matriz na massa permeável de material de enchimento ou no pré-molde, que ocorre sem exigir a aplicação de pressão ou vazio (quer aplicados externamente ou criados internamente.

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

As figuras representam:

A fig. la, um pré-molde generalizado, adequado para uso com a presente invenção;

A fig. lb, um molde reutilizável para a formação de um pré-molde generalizado;

A fig. 2, um meio para submergir amovivelmente o pré-mol_ de segundo a presente invenção;

A fig. 3, uma disposição de infiltração espontânea de acordo com a presente invenção;

A fig. 4, a remoção de um corpo compósito com matriz de metal, usando um meio de submersão amovível;

A fig. 5, um molde consumível e um meio de lastro; e

A fig. 6, o molde e o meio de lastro submersos numa massa líquida de metal de matriz.

A presente invenção refere-se à formação de um corpo compósito com matriz de metal pela submersão de qualquer pré-mol.

de adequado num metal da matriz fundido, sendo o pré-molde tipi^ camente formado por um material de enchimento, como se descreve adiante com mais pormenor, estando em contacto, em algum instante durante o processo, com pelo menos um intensificador de infiltração e/ou um precursor de intensificador de infiltra, ção e/ou uma atmosfera de infiltração, donde resulta a infiltração espontânea do metal da matriz fundido no pré-molde num grau desejado.

Fazendo referência às figuras, nas quais se identificam com números de referência iguais partes semelhantes, as fig. la e lb mostram um pré-molde generalizado (1), que pode ser usado de acordo com a presente invenção. 0 pré-molde (1) pode compre ender , por exemplo, uma mistura de partículas cerâmicas e um intensificador de infiltração, que pode ser formado por uma reac ção entre uma atmosfera de infiltração e um precursor de intensificador de infiltração e ao qual é dada uma forma desejada por uma cavidade (2) de um molde (3). 0 molde (3) pode ser reu tilizável, caso em que pode ser feito de um material facilmente modelãvel, adequadamente rugoso, tal como gesso de Paris, borra, cha de silicone ou semelhante ou o molde (3) pode ser consumido durante etapas subsequentes do processo, podendo nesse caso ser feito de um material, tal como folha de metal, que não afecte o processo de infiltração espontânea. o molde (3) pode ser um molde dividido, um molde de peças múltiplas, uma coquilha de fun dição de precisão pelo processo de cera perdida ou qualquer outro meio de moldação adequado.

Como se mostra na fig. 2, o pré-molde (1) também ainda envolvido por um molde consumível ou livre, pode ser colocado num meio (4) para submergir amovivelmente o pré-molde numa massa

-26¢líquida de metal da matriz fundido. As caratcerísticas mais im portantes do meio (4) são a possibilidade de suportar ou prender o pré-molde (1), para compensar a flutuabilidade natural do pré-molde na massa líquida de metal da matriz sem afectar a forma do pré-molde, a possibilidade de permitir o contacto do pré-molde com a massa líquida, uma resistência suficiente à tem peratura e uma inactividade química para resistir à imersão na massa líquida de metal da matriz, não devendo ainda o meio (4) afectar prejudicialmente o processo de infiltração espontânea.

Um meio (4) adequado compreende uma base (4-1), uma pluralidade de hastes (4-2) e uma tampa removível (4-3). Um cabo adequado (4-4) pode ser convenientemente preso ao meio (4), permitindo a inserção e a retirada do meio (4) da massa líquida de metal da matriz, bem como outras operações de manipulação dese jadas. Compreender-se-á que o meio (4) pode também compreender qualquer cesta ou rede permeável ao metal da matriz com rede permeável ao metal da matriz com as características mais importantes atrás mencionadas para o meio (4). Além disso, o meio (4) pode compreender apenas uma base e um cabo, com um ou mais pré-moldes fixados amovivelmente na base.

Fazendo referência à fig. 3, de acordo com a presente invenção, o meio (4) para submergir amovivelmente o pré-molde (1) é colocado numa massa líquida (5) de metal da matriz fundido, que é comfinada por um vaso não reactivo (6) para conter me tal da matriz. Num sistema espontâneo adequado, como os que aqui se descrevem, o metal da matriz (5) infiltra-se espontaneamente no pré-molde (1). Como se mostra na figura, o pré-molde (1) pode ser completamente submerso na massa líquida (5), podendo nesse caso a infiltração espontânea do pré-molde se processar a partir

-27de todas as superfícies do pré-molde em contacto com a massa líquida. Após ter-se verificado a infiltração da quantidade desejada, donde resulte a formação de um corpo compósito com matriz de metal (7), como se representa na fig. 4, o meio (4) e o corpo compósito (7) incluído podem ser retirados da massa líquida. O metal da matriz que não se infiltrou no pré-molde mas que é retirado com o meio (4), pode depois, por efeito da gravidade ou de outra força adequada, por exemplo por um fluxo de gás, voltar para a massa líquida de metal da matriz fundido, minimizando assim a aderência da carcaça ao corpo compósito (7).

Compreender-se-ã que o meio para submergir amovivelmente o pré-molde na massa líquida de metal da matriz fundido pode apenas submergir o pré-molde parcialmente, em vez de completamente. Essa submersão parcial pode ser desejável, por exemplo, quando a infiltração espontânea deva ocorrer apenas num sentido preferido para uma porção do pré-molde. Como adiante se descreve com mais pormenor, pode fazer-se aderir um meio de bar reira apropriado às superfícies escolhidas do pré-molde , para controlar o sentido de infiltração ou minimizar qualquer carcaça de metal da matriz restante, de modo que se obtém uma forma perfeita ou quase com a remoção da barreira.

Além disso, a profundidade de submersão do pré-molde na massa líquida pode ser controlável selectivamente, por exemplo para variar a composição do corpo compósito com matriz de metal. Essa variação poderia ser obtida com uma massa líquida estratificada, com composições diferentes do metal da matriz, às diferentes profundidades. Essas composições diferentes poderiam re sultar de um gradiente de temperatura em função da profundidade e/ou da mistura da liga. 0 meio de submersão amovível estabele

-“-ρ cerá o contacto entre o pré-molde e uma primeira composição do metal da matriz, a uma primeira profundidade, por um período de tempo predeterminado e, subsequentemente, estabelecerá o con tacto entre o pré-molde infiltrado parcial e espontaneamente e uma segunda composição do metal da matriz, numa segunda profundidade, por um segundo período de tempo pré-determinado. Outras composições do metal da matriz poderiam ser contactadas de acor do com as suas localizações na massa líquida de metal fundido.

Podem também ser suportados mais de um pré-molde simul taneamente pelo meio de submersão amovível, aumentando assim a velocidade de produção de corpos compósitos com matriz de metal.

Os pré-moldes poderiam ser dispostos livremente dentro do meio de submersão ou fixados amovivelmente no mesmo, conforme fosse apropriado. Deve entender-se que o volume da massa líquida de metal da matriz fundido aumentará até um grau suficiente para proporcionar o grau desejado de infiltração da pluralidade de corpos compósitos com matriz de metal produzido dessa maneira.

Como já foi discutido, uma caraCterística do meio de sub mersão amovível pode ser a de compensar qualquer flutuabilidade natural, quer positiviva quer negativa, do pré-molde em relação ã massa líquida de metal da matriz fundido. Deve entender-se que podem usar-se outros dispositivos para realizar essas e outras funções. Um desses dispositivos alternativos é um meio para dar lastro ao pré-molde, numa forma de realização do qual é descrita mais adiante com mais pormenor em relação com um exem pio. O meio de lastro, de acordo com a presente invenção, em ge ral tem características similares às do meio de submersão amovível.

Para realizar a infiltração espontânea do metal da matriz

-29no pre-molde, deve proporcionar um intensificador de infiltração no sistema espontâneo. 0 intensficador de infiltração poderia ser formado por um precursor de intensificador de infiltração que poderia ser apropriado: (1) no metal da matriz e/ou (2) no pré-molde e/ou (3) na atmosfera de infiltração e/ou (4) na fonte externa do sistema espontâneo. Além disso, em vez de proporcionar um precursor de intensificador de infiltração, o intensificador de infiltração pode ser fornecido directamente ao pré-molde e/ou metal de matriz e/ou ã atmosfera de infiltra ção. Finalmente, pelo menos durante a infiltração espontânea, o intensificador de infiltração deve estar localizado em pelo menos uma porção do material de enchimento ou do pré-molde. Por exemplo, quando for proporcionado ã atmosfera de infiltração, o intensificador de infiltração poderá ser transportado até um pré-molde submerso, fazendo borbulhar a atmosfera através da massa líquida de metal da matriz fundido. Se o pré-molde não for completamente submerso, o intensificador de infiltração po derá ser proporcionado no pré-molde através de uma atmosfera de infiltração acima da superfície da massa líquida. Analogamente, se um precursor de intensificador de infiltração for proporcionado no pré-molde, esse precursor pode ser convertido num intensificador de infiltração fazendo borbulhar a atmosfera de infiltração através da massa líquida ou pela exposição de uma superfície do pré-molde ã atmosfera de infiltração acima da massa líquida.

Um exemplo de um sistema de metal de matriz precursor de intensificador de inf iltração/atmosfera de infiltração é o sist<2 ma de alumínio/magnésio/azoto. Especificamente, o metal da matriz de alumínio pode estar contido dentro de um vaso refractá-30- , rio adequado que, nas condiçoes do processo, nao reage com o * metal da matriz de alumínio quando o alumínio funde. Pode então manter-se um pré-molde abaixo da superfície e em contacto com o metal da matriz fundido, por meio de um lastro ou pelo meio para submergir amovivelmente o pré-molde dentro do metal da matriz fundido.

De acordo com a presente invenção, no caso de um siste ma espontâneo de alumínio/magnésio/azoto, o pré-molde deve ser suficientemente permeãvel para permitir que o gás que contém azoto penetre ou atravesse os poros do pré-molde, peio menos em algum instante durante o processamento, por exemplo, fazendo-se borbulhar azoto através do metal da matriz fundido. Além disso, o pré-molde permeãvel pode, simultaneamente ou em sucessão, per mitir a infiltração de metal da matriz fundido ou expor o pré-molde ao azoto, antes da imersão, fazendo assim com que o prê-molde atravessado pelo azoto seja infiltrado espontaneamente com metal da matriz fundida, para formar um corpo compósito com matriz de metal e/ou fazer com que o azoto reaja com o precursor de intensificador de infiltração, para formar intensificador de infiltração no pré-molde, donde resulta a infiltração espontânea .

A extensão da infiltração espontânea e a formação do com pósito com matriz de metal variarão com um dado conjunto de condi, ções do processo, que inclui, para o sistema de alumínio/magnésio/azoto, o teor de magnésio da liga de alumínio, o teor de mag nésio do pré-molde, o teor de nitreto de magnésio da liga de alu mínio, o teor do nitreto de magnésio no pré-molde, a presença de elementos de liga adicionais (por exemplo, silício, ferro, cobre manganês, crómio, zinco e similares), as dimensões médias (por

-31-..J exemplo, o diâmetro das partículas) do material de enchimento que forma o pré-molde, a condição da superfície e o tipo de material de enchimento, a concentração de azoto da atmosfera de infiltração, o tempo permitido para infiltração e a tempera tura a que a infiltração ocorre. Por exemplo, para a infiltra ção do metal da matriz de alumínio fundido ocorrer espontaneamente, o metal de matriz de alumínio pode ser ligado com pelo menos cerca de 1%, em peso e, de preferência, pelo menos cerca de 3%, em peso, de magnésio (que funciona como precursor de in tensificador de infiltração) em relação ao peso da liga.

Podem também incluir-se elementos de liga auxiliares , como atrás se descreveu, no metal da matriz, para predeterminar as suas propriedades específicas. Os elementos de liga auxilia, res também podem afectar a quantidade mínima de magnésio requerida no metal de alumínio da matriz, para produzir a infiltração espontânea do material de enchimento ou do pré-molde. A per da de magnésio do sistema espontâneo devido, por exemplo, à vola tilização, deve ser evitada até o ponto em que fique algum magné sio para formar o intensificador de infiltração. Assim, é desejável utilizar uma quantidade suficiente de elementos de liga iniciais para assegurar que a infiltração espontânea não serã afectada adversamente pela volatilizaçâo. Também, a presença de magnésio no pré-molde e no metal da matriz ou apenas no pré-molde, pode conduzir a uma quantidade total reduzida do magnésio necessário para se obter a infiltração espontânea (aqui discutida com mais pormenor). A percentagem, em volume, de azoto na atmosfera· de infiltração de azoto também afecta a velocida de de formação do corpo compósito com matriz de metal. Especificamente, se estiverem presentes menos de cerca de 10 por cen-32-

to, em volume, de azoto na atmosfera de infiltração, ocorrerá uma infiltração espontânea reduzida ou muito lenta. Verificou-se que é preferível que estejam presentes pelo menos cerca de 50 por cento, em volume, de azoto na atmosfera, para que resultem, por exemplo, tempos de infiltração menores, devido a uma velocidade muito mais elevada de infiltração. Podem também obter-se tempos de infiltração menores agitanio-se suavemen te os pré-moldes submersos, produzindo assim um turbilhão do metal da matriz fundido em torno dos pré-moldes, sem perturbar a sua integridade estrutural.

teor de magnésio mínimo requerido para que o metal da matriz fundido, no sistema espontâneo de alumínio/magnêsio/azoto forme um compósito com matriz de metal, depende de uma ou mais variáveis, tais como a temperatura de processamento, o tempo, a presença de elementos de liga auxiliares, tais como si. lício ou zinco, a natureza do material de enchimento, a localização do magnésio em um ou mais componentes do sistema espontâneo, o teor de azoto da atmosfera de infiltração que atinge o pré-molde e a velocidade com que a atmosfera de azoto circula. Podem usar-se temperaturas mais baixas ou tempos de aquecimento menores para se obter a infiltração completa, quando se aumentar o teor de magnésio da liga e/ou do pré-molde. Também, para um dado teor de magnésio, a adição de certos elementos de li. ga auxiliares, tais como o zinco, permite o uso de temperaturas mais baixas. Por exemplo, pode usar-se um teor de magnésio no metal da matriz no extremo inferior da faixa de operação, por exemplo, de cerca de 1 a 3 por cento, em peso, em conjunto com pelo menos um dos seguintes factores: uma temperatura de proces sarnento acima da mínima, uma concentração de azoto elevada, ou um

-33\

ou mais elementos de liga auxiliares. Quando não se adicionar nenhum magnésio ao pré-molde, são preferidas ligas contendo cer ca de 3 a 5 por cento, em peso, de magnésio, com base na sua utilidade geral, numa ampla variedade de condições de processo, sendo preferido usar pelo menos cerca de 5 por cento, quando se utilizarem temperaturas mais baixas e tempos menores. Podem usar-se teores de magnésio superiores a cerca de 10 por cento, em peso, da liga de alumínio para moderar as condições de tempe ratura requeridas para a infiltração. 0 teor de magnésio pode ser reduzido, quando usado em conjunto com o elemento de liga auxiliar, mas esses elementos têm apenas uma função auxiliar e são usados em conjunto com pelo menos uma quantidade mínima de maqnésio atrás referida. Por exemplo, substancialmente não há infiltração de alumínio não nominalmente puro ligado apenas com 10 por cento de silício, a 1000°C, num leito de 500 mesh, 39 Crystolon (99 por cento de carboneto de silício puro da Norton Co.) . Contudo, na presença de magnésio, verificou-se que o si^ licio promove o processo de infiltração.

Como outro exemplo, pode variar-se a quantidade de magnésio , se for fornecido exclusivamente ao pré-molde ou ao mate rial de enchimento. Verificou-se que a infiltração espontânea ocorrerá com uma percentagem total, em peso, de magnésio menor fornecido ao sistema, quando se colocar pelo menos uma parte da quantidade total de magnésio fornecida no pré-molde ou no material de enchimento. Essa colocação pode ser realizada por exem pio, pela mistura de um pó de magnésio com uma cerâmica, para formar o material de enchimento. Pode ser desejável proporcionar ocorrer uma quantidade total de magnésio menor, a fim de im pedir a formação de compostos intermetálicos indesejáveis no cor po compósito com a matriz de metal. No caso de um pré-molde

de carboneto de silício, verificou-se que, quando o pré-molde estabelece contacto com um metal da matriz de alumínio, o pré-molde, contendo pelo menos cerca de 1 por cento, em peso, de magnésio e estando na presença de uma atmosfera de azoto subs tancialmente puro, o metal de matriz infiltra-se espontaneman te no pré-molde. No caso de um pré-molde de alumina, a quantidade de magnésio requerida para se obter a infiltração espon tânea aceitável é ligeiramente maior. Especif icamente, verifi. cou-se que, com um pré-molde de alumina, quando em contacto com o metal da matriz de alumínio similar, aproximadamente ã mes ma temperatura que o alumínio se infiltrou no pré-molde de carboneto de silício, na presença da mesma atmosfera de azoto, podem ser necessários menos cerca de 3 por cento, em peso, de macj nésio para se obter a infiltração espontânea semelhante ã obti. da no pré-molde de carboneto de silício descrito imediatamente antes.

Faz-se também notar que é possível fornecer ao sistema espontâneo precursor de intensificador de infiltração e/ou intensificador de infiltração, numa superfície da liga e/ou numa superfície do pré-molde e do material de enchimento e/ou dentro do pré-molde ou do material de enchimento, antes da infiltração do metal da matriz no material de enchimento ou no pré-molde (isto é, pode não ser necessário que o intensificador de infiltração fornecido seja ligado com o metal da matriz, mas, ao con trário, simplesmente fornecido ao sistema espontâneo). Se se aplicar magnésio a uma superfície do metal da matriz, pode ser preferido que essa superfície seja a superfície que está mais perto ou, de preferência, em contacto com a massa permeável de

-35ς material de enchimento ou vice-versa; esse magnésio poderia ser misturado pelo menos com uma porção do pré-molde ou com o material de enchimento. è ainda possível utilizar uma combinação da aplicação na superfície da formação uma liga e da colocação de magnésio pelo menos numa porção do pré-mole. Dessa combina ção da aplicação de intensificador(es) de infiltração e/ou pre cursor(es) de intensificador de infiltração poderia resultar uma diminuição da percentagem, em peso, total de magnésio neces sário para promover a infiltração do metal da matriz de alumínio no pré-molde, bem como a obtenção de temperaturas mais bai. xas a que a infiltração pode ocorrer. Além disso, a quantidade de compostos intermetálicos indesejáveis formada devido à presença de magnésio também poderia ser minimizada.

uso de um ou mais componentes auxiliares de liga e a concentração de azoto no gás que envolve o pré-molde e o metal da matriz também afecta o grau de nitração do metal da matriz a uma dada temperatura. Por exemplo, podem usar-se elementos auxiliares de liga, tais como o zinco ou o ferro, incluídos na liga ou colocados numa superfície da liga para reduzir a temp_e ratura de infiltração e assim diminuir a quantidade de formação de nitreto , ao passo que pode usar-se o aumento da concentração de azoto para promover a formação de nitreto.

A concentração de magnésio na liga e/ou colocado numa superfície da liga e/ou combinado com o material de enchimento também tende a afectar o grau de infiltração a uma dada temperatura. Consequentemente, em alguns casos onde pouco ou nenhum magnésio contacta directamente com o material de enchimento, po de ser preferido incluir na liga pelo menos cerca de 3 por cento, em peso, de magnésio. Teores inferiores de liga de magnésio

-36tais como 1 por cento, em peso, de magnésio, podem requerer temperaturas do processo mais elevadas ou um elemento auxiliar de liga para infiltração. A temperatura requerida para realizar o processo de infiltração espontânea da presente invenção pode ser mais baixa: (1) quando o teor individual de magnésio da liga é aumentado, por exemplo, para pelo menos cerca de 5 por cento, em peso e/ou (2) quando os componentes da liga são misturados com a massa permeável do material de enchimento ou o pré-molde e/ou (3) quando estiver presente outro elemento, tal como o zinco ou o ferro, na liga de alumínio. A temperatura pode variar em diferentes materiais de enchimento. Em geral, ocorrerá uma infiltração espontânea progressiva a uma temperatura do processo de pelo menos cerca de 675°C e, de preferência, a uma temperatura do processo de pelo menos cerca de 750°C-800°C. Além disso, o vazamento satisfatório da suspensão resul tante, depois de o segundo metal da matriz ter sido disperso, é obtido a, ou perto de 800°C, ou mais ou, possivelmente, menos , conforme a natureza da suspensão. O vazamento não melhora neces sariamente com temperaturas mais elevadas. Temperaturas em geral acima de 1200°C não parece beneficiarem o processo. Uma faixa de temperaturas particularmente utilizável, verificou-se ser de cerca de 675°C a cerca de 1200°C. Contudo, como regra geral, a temperatura de infiltração espontânea é uma temperatura que está acima do ponto de fusão do metal da matriz, mas abaixo da temperatura de volatilização do metal da matriz. Além disso, a temperatura de únfiltração espontânea deve estar abaixo do pon to de fusão do material de enchimento. Ainda, ã medida que a temperatura é aumentada, aumenta a tendência para formar um produto da reacção entre o metal da matriz e a atmosfera de infil-37tração (por exemplo, no caso da metal da matriz de alumínio e .» de uma atmosfera de infiltração de azoto, pode formar-se nitre to de alumínio). Esse produto de reacção pode ser desejável ou indesejável, conforme a aplicação pretendida do corpo do com pósito com matriz de metal. Adicionalmente, utiliza-se tipicamente o aquecimento por resistência electrica para se obter as temperaturas de infiltração. Contudo, qualquer meio de aqueci, mento que possa fazer com que o metal de matriz funda e que não afecte adversamente a infiltração espontânea é aceitável para ser usado na presente invenção.

No presente processo, por exemplo, mergulha-se um pré-molde permeável no alumínio fundido, na presença de, um gás contendo azoto, presente no processo pelo menos em certa altura. 0 gás contendo azoto pode ser fornecido pela manutenção de um fluxo contínuo de gás em contacto com o pré-molde e/ou o metal da matriz de alumínio fundido. Embora o caudal de gás com azoto não seja crítico, é preferível que esse cuadal seja suficiente para compensar qualquer parte de azoto na atmosfera, devida à formação de niteto na matriz de liga, e também para impedir ou inibir a impulsão de ar ou putros gases, que pode ter um efeito oxidante sobre o metal fundido e/ou o pré-molde.

O processo para a formação de um compósito com matriz de metal é aplicável a uma ampla variedade de materiais de enchimento, dependendo a escolha do material de enchimento de factores como a liga da matriz, as condições do processo, a reactividade da liga da matriz fundida com o material de enchimento e as propriedades pretendidas para o produto compósito final. Por exemplo, quando for o alumínio metal da matriz, os materiais de enchimento adequados incluem (a) óxidos, por exemplo alumina,

-38¢(b) carbonetos, por exemplo, carboneto de silício, (c) boretos por exemplo dodecaboreto 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 poderá ser compensado pela minimização do tempo de infiltração e da temperatura ou proporcionando um revestimen to não reactivo sobre o material de enchimento. 0 material de enchimento pode, em alternativa, compreender um substrato, tal como carbono ou outro material não cerâmico, formando um reves timento cerâmico para proteger o substrato do ataque ou da degradação. Os revestimentos cerâmicos adequados incluem óxidos, carbonetos, boretos e nitretos. As cerâmicas preferidas para uso no presente processo incluem a alumina e o carboneto de silício, na forma de partículas, plaquetas, filamentos e fibras . As fibras podem ser descontínuas (na forma cortada) ou na forma de filamento contínuo, tal como séries de filamentos múltiplos. Ainda, o material de enchimnto ou o pré-molde pode ser homogéneo ou heterogéneo.

Verificou-se também que corpos materiais de enchimento apresentam uma melhor infiltração em relação aos materiais de enchimento por terem uma composição química similar. Por exemplo, corpos de alumina triturados feitos pelo processo descrito na Patente dos Estados Unidos Nô 4.713.360, intitulada Novos materiais cerâmicos e processos para a fabricação dos mesmos, publicada em 15 de Dezembro de 1987, em nome de Marc S. Newkirk e outros, apresenta propriedades de infiltração desejadas em re lação aos produtos de alumina comercialmente disponível. Além disso, corpos de alumina triturados feitos pelo processo descri.

i to no pedido de patente copendente do mesmo proprietário

-39de Série 819 .397 intitulado

Produtos cerâmicos compósitos

processos de fabricação dos mesmos, em nome de Marc S. Newkirk e outros, também apresentam propriedades de infiltração deseja veis em relação aos produtos de alumina comercialmente disponí. veis. A matéria em questão de cada um dos pedidos de patente copendentes publicados é aqui expressamente incroporada por re ferência. Assim, verificou-se que pode verificar-se infiltração completa de uma massa permeável de material cerâmico a tem peraturas de infiltração mais baixas, pela utilização de um corpo triturado ou pulverizado produzido pelo processo do pedido de patente e da patente dos Estados Unidos antes mencionados.

As dimensões e a forma do material de enchimento podem ser quaisquer necessárias para se obterem as propriedades desejadas no compósito. Assim, o material pode estar na forma de partículas, filamentos, plaquetas ou fibras, desde que a infiltração não seja limitada pela forma do material de enchimento. Podem usar-se outras formas, tais como esferas, tubos, peletes, tecido de fibras refractárias e similares. Além disso, as dimensões do material não limitam a infiltração, embora possam ser necessárias uma temperatura mais alta ou um período de tem po maior para a infiltração completa de uma massa de partículas menores do que para partículas maiores. Ainda, a massa de mate rial de enchimento (moldado como um pré-molde) a infiltrar deve ser permeável (isto é, permeável ao metal da matriz de metal e ã atmosfera de infiltração).

Não dependendo o processo para a formação de compósitos com matriz de metal de acordo com a presente invenção, do uso de pressão para forçar ou comprimir o metal da matriz fundido num pré-molde ou numa massa de material de enchimento, ele permi

te a produção de compósitos em matriz de metal substancialmente uniformes, com uma percentagem, em volume, de material de enchimento elavada e uma porosidade baixa. Maiores percentagens, em volume, de material de enchimento podem ser obtidas pelo uso de uma massa inicial de material de enchimento de menor porosidade. Podem obter-se percentagens, em volume, mais elevadas também, se a massa de enchimento for compactada ou de outro modo densifiçada, desde que a massa não seja converti da numa estrutura completamente densa, que impedirá a infiltra ção pela liga de metal fundida.

Tem sido observado que, para a infiltração de alúmino e para a formação de uma matriz em torno de um material de enchimento cerâmico, o molhamento do material de enchimento cerã mico pelo metal da matriz de alumínio pode ser uma parte impor tante do mecanismo de infiltração. Além disso, a temperaturas de processamento baixas, verifica-se uma quantidade desprezável ou mínima de nitretação do metal, dando origem a uma fase descontínua mínima de nitreto de alumínio disperso na matriz de me tal. Contudo, quando se atingir o extremo superior da faixa de temperaturas, há uma maior probabilidade de ocorrer a nitretação do metal. Assim, pode controlar-se a quantidade da fase de nitreto na matriz de metal pela variação da temperatura de processamento a que a infiltração ocorre. A temperatura do pro cesso específica ã qual a formação de nitreto se torna mais pronun ciada também varia com factores tais como a liga de alumínio da matriz usada e a sua quantidade em relação ao volume de material de enchimento ou do pré-molde, o material de enchimento a infi_l trar e a concentração de azoto da atmosfera de infiltração. Por exemplo, crê-se que o grau da formação de nitreto de alumínio a uma dada temperatura aumente ã medida que a capacidade de a li_ ga molhar o material de enchimento diminui e ã medida que aumente a concentração de azoto da atmosfera.

I

É possível, portanto, predeterminar a constituição da matriz de metal durante a formação do compósito para comunicar certas características ao produto resultante. Para um dado sis^

I tema, podem escolher-se as condições do processe para controlar a formação de nitreto. Um produto compósito com uma fase de nitreto de alumínio apresentará certas propriedades que podem ser favoráveis ou melhorar a eficácia do produto. Ainda, a fai. xa de temperaturas para a infiltração espontânea com uma liga de alumínio pode variar usado ccsn o material cerâmico. No caso da alu mina como o material de enchimento, a temperatura para a infiltração de preferência não deve exceder cerca de 1000°C, se se desejar que a ductilidade da matriz não seja reduzida pela formação significativa de nitreto. Podem no entanto usar-se tempe raturas superiores a 1000°C, se se desejar produzir um compósito com uma matriz menos dúctil e mais rígida. Para infiltrar carboneto de silício, podem usar-se temperaturas mais elevadas, de cerca de 1200°C, desde que a liga de alumínio se nitrifique em menor grau, em relação ao uso de alumina como material de en chimento, quando se utilizar carboneto de silício como material de enchimento.

Além disso, é possível usar um reservatório de metal da matriz para assegurar a infiltração completa do material de enchimento e/ou fornecer um segundo metal, com uma composição diferente da da primeira fonte de metal de matriz. Especificamen te, em alguns casos, pode ser desejável utilizar um metal de ma triz no reservatório, de composição diferente da da primeira

-4 2fonte de metal da matriz. Por exemplo, se se usar uma liga de alumínio como primeira fonte de metal da matriz, então essencialmente qualquer outro metal, ou liga de metal, que funda à temperatura do processamento, poderia ser usado como metal do reservatório. Os metais fundidos frequentemente são miscíveis um com outro, donde resultaria a mistura do metal do reservató rio com a primeira fonte de metal de matriz, desde que se proporcione um período de tempo adequado para que a mistura ocorra. Em alternativa, pode reduzir-se o tempo de processamento pelo controlo selectivo da profundidade até ã qual se mergulha o pré-molde, como atrás se discutiu. Assim, pelo uso de um me tal de reservatório de composição diferente da da primeira fon te de metal da matriz, é possível predeterminar as propriedades da matriz de metal para ir de encontro às várias exigências operacionais e, desse modo, fixar as propriedades do compósito com matriz de metal.

Pode também usar-se um meio de barreira em combinação com a presente invenção. Especificamente, o meio de barreira para uso com a presente invenção pode ser qualquer meio adequa do que interfira, iniba, impeça ou termine a migração, o movimento ou similar, de liga da matriz fundida (por exemplo, uma liga de alumínio) para além do limite da superfície definido do material de enchimento. Um meio de barreira adequado pode ser qualquer material, composto, elemento, composição, ou semelhante que, nas condições do processo da presente invenção, mantenha alguma integridade, não seja volátil e de preferência seja permeável ao gãs usado com o processo, bem como seja capaz de, localmente, inibir, parar, interferir com, impedir, ou similar, a infiltração contínua ou qualquer outra espécie de movimento

-43Ç para além do limite da superfície definido do material de enchi, mento.

São meios de barreira adequados, no sistema de alumínio/ /magnésio/azoto, a grafite e a alumina, podendo esses materiais ser adequadamente moldados e dispostos para conduzir a atmosfera de infiltração até ao pré-molde, mesmo que ele esteja comple tamente submerso. Uma barreira adequada, pode assim facilitar a produção de corpos compósitos com matriz de metal minimizando a preparação necessária da superfície após a infiltração, ao mesmo tempo que se mantém a flexibilidade na disposição dos com ponentes do intensificador de infiltração, do precursor de intensificador de infiltração e da atmosfera de infiltração no sistema espontâneo. Além disso, o meio de barreira pode ser combinado com o meio de submersão amovível ou com o meio de lastro, proporcionando assim uma protecção adicional dos pré-moldes, que podem não ser suficientemente rígidos para resistirem à submersão na massa líquida de liga da matriz fundida.

São barreiras adequadas particularmente utilizáveis para as ligas de matriz de alumínio as que contêm carbono, especialmente na forma alotrópica cristalina de carbono conhecida como grafite. A grafite é essencialmente não molhável pela liga de alumínio fundido, nas condições do processo descritas.

Uma grafite particularmente preferida é um produto de fita de grafite que é vendida sob a marca comerciai Grafoil regista da pela Union Carbide. Essa fita de grafite apresenta caracte risticas de vedação que impedem a migração de liga de alumínio fundido para além do limite de superfície definido do material de enchimento. Essa fita de grafite também é resistente ao ca lor e é quimicamente inerte. 0 material de grafite Grafoil^

é fexível, compatível, conformável e resiliente. Pode ser fe_i to numa variedade de formas para se adaptar a qualquer aplicação de barreira. Contudo, o meio de barreira de grafite pode ser usado como uma pasta ou suspensão, ou mesmo como uma pelí. cuia de tinta em torno de, e no limite do material de enchimento. Grafoil ® é particularmente preferido porque se apresenta na forma de uma folha de grafite flexível. Em uso, essa grafite semelhante a papel é simplesmente amoldada em torno do material de enchimento.

Outro(s) meio(s) de barreira(s) para ligas de matriz de metal de alumínio em azoto são os boretos de metais de tran sição (por exemplo, diboreto de titânio (TiB₂), que são em geral não molháveis pela liga de metal de alumínio fundido em cer tas condições do processo; empregadas usando esse material, com uma barreira desse tipo, a temperatura do processo não deve exceder cerca de 875°C, pois de outro modo o material de barreira torna-se menos eficiente, mais concretamente, com a subida da temperatura verificar-se-á a infiltração na barreira. Os bo retos de metais de transição apresentam-se tipicamente numa forma de partículas (1-30 micrómetros). Os materiais de barre_i ra podem ser aplicados como uma suspensão ou uma pasta nos lirtri tes da massa permeável de material de enchimento cerâmico que, de preferência, é moldado com um pré-molde.

Outras barreiras utilizáveis para ligas de matriz de me tal de alumínio em azoto incluem compostos orgânicos de baixa volatilidade, aplicados como uma película ou camada na superfície externa do material de enchimento. Por combustão em azoto, especialmente nas condições do processo da presente invenção, o composto orgânico decompõe-se, deixando uma película de fuligem

-45de carbono.

O composto orgânico pode ser aplicado por meios

convencionais, como pintura, pulverização, imersão, etc.

Além disso, materiais em partículas, finamente triturados, podem funcionar como barreira-., desde que a infiltração do material em partículas ocorra a uma velocidade menor do que a velocidade de infiltração do material de enchimento.

Várias demonstrações da presente invenção estão incluí, das no Exemplo que se segue imediatamente. Contudo, esse exem pio deve ser considerado como ilustrativo e não deve ser inter pretado como limitando o escopo da invenção, conforme se define nas reivindicações anexas.

Exemplo 1

Preparou-se um material de enchimento· misturando-se completamente pó de carboneto de silício de 1000 grit (39 Cry^ tolon da Norton Co.) com cerca de 2 por cento, em peso, de põ de magnésio de 325 mesh (disponível da Johnson Mathey Co.). Va zou-se o material de enchimento num tubo de cobre de parede f^i na, tal como os moldes de 0,8 mm de espessura, disponíveis da General Copper Co. Uma extremidade do tubo foi envolvida por uma fina folha de cobre, para vedar o tubo enquanto nele se va zava o material de enchimento, sendo este material de enchimen to sedimentado no molde vazando-se o lado do tubo de cobre diversas vezes. O tubo tinha aproximadamente 10 cm de comprimen to e 2,9 cm de diâmetro, e serviu apenas como molde para o material de enchimento.

Como se representa na fig. 5, o molde de cobre (3) foi depois introduzido num tubo de alumina (8), que serviu como meio

de lastro para o molde. O tubo de alumina foi um cadinho de por * celana de alta densidade de 3,8 cm de diâmetro, 3 mm de parede (disponível de Coors Co.), que foi reduzido a um comprimento de aproximadamente 7,6 cm. A natureza do lastro pode ser importan te pelo facto de que ele deve estar isento de ãgua ou outros ma teriais que possam oxidar-se às temperaturas do processo, contanri nando assim o material de enchimento ou o metal da matriz. Além disso, ele deve ser não molhável pelo metal da matriz e o compósito com matriz de metal, permitindo assim a remoção fácil do compó sito. Além disso, o lastro deve ser suficientemente maciço pa. ra submergir o molde no metal da matriz e deve ser suficientemente rígido para evitar a deformação do compósito com a matriz de metal durante a remoção do metal da matriz fundido. Pelo me nos nesses aspectos, o meio de lastro tem muitas características comuns com o meio de barreira.

Depois de se encher o molde (3), a sua extremidade aber ta também foi envolvida por uma fina folha de cobre (9), através da qual se introduziu um tubo de aço inoxidável (10), de 0,6 mm de diâmetro. Introduziu-se uma corrente de gãs de azoto através do tubo de aço inoxidável (10), com um caudal de cerca de 1,5 litros/minuto. O molde (3) e os tubos (8) e (10) foram colocados num forno, aquecido por resistência eléctrica, e aque eidos desde a temperatura ambiente até cerca de 600°C, durante um período de aproximadamente 2 horas. A temperatura foi manti. da a 600°C durante cerca de 1 hora; após esse tempo, o material de enchimento tinha enrijecido formando um pré-molde e teria mantido a sua forma mesmo sem o molde (3). Deve entender-se que podem usar-se temperaturas para o enrijecimento, tais como, 500°C e 600°C, conforme a natureza do enchimento e do molde e das

-tf suas tampas extremas de folha de metal. Geralmente preferem- < -se temperaturas mais altas para assegurar o enrijecimento completo do enchimento.

Após uma hora a 600°C, o molde (3) foi rapidamente removido do forno e mergulhado numa massa líquida de liga de metal da matriz fundida, que foi mantida a cerca de 750°C num segundo forno aquecido por resistência eléctrica. A composição do metal da matriz era uma liga de alumínio contendo cerca de 12 por cento, em peso, de silício e cerca de 3 por cento, em peso, de magnésio (Al-12Si-3Mg). Como se mostra na fig. 6, o tubo de alumina (8) era suficientemente maciço para vencer a flutuabilidade positiva do molde (3), submergindo assim comple tamente o molde (3) na massa líquida (5) de liga de metal da ma triz. 0 caudal de gás azoto no molde (3) foi mantido constante até que o molde (3) ficasse submerso na massa líquida (5), após o que a corrente de azoto foi dirigida para sobre a su perfície da massa líquida (5).

Após a submersão na massa líquida (5) durante aproxima( ·, damente uma hora, o molde de copo (3) e as folhas tinham-se fun dido e dispersado dentro da liga de metal da matriz e a liga de metal da matriz tinha-se infiltrado espontaneamente no prê-molde totalmente enrijecida, formando assim um corpo compósito com matriz de metal. 0 pré-molde manteve a sua forma mesmo após o consumo do molde (3), provavelmente como resultado da formação de nitreto de magnésio da possível sinterização durante o aque cimento inicial, e da elevada percentagem do material de ench_i mento no corpo compósito. 0 tubo de alumina (8), que incluía o corpo compósito com matriz de metal foi então retirado com uma colher da massa líquida de metal de matriz. Após a solidi-

ficação, o corpo compósito foi facilmente removido do tubo de alumina (8), apresentando uma boa uniformidade da superfície e características de forma nítida.

Claims

REIVINDICAÇÕES

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

formação de uma massa líquida de metal da matriz fundido;

modelação de um prê-mclde constituído por uma massa de material de enchimento substancialmente não reactivo;

mergulhar o pré-molde ne massa líquida; e infiltrar espontaneamente pelo menos uma dc oré-molde com metal de matriz funcido.

porção

-50
2.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de proporcionar uma atmosfera infiltrante em comunicação com o material de enchimento e/ou o metal da matriz durante pelo menos uma parte do processo de infiltração.
3.- Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de fornecimento de pelo menos um precursor de intensificador da infiltração e um intensificador da infiltração ao metal da matriz e/ou ao material de enchimento e/ou à atmosfera infiltrante.
4.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de fornecimento de um precursor de intensificador da infiltração e/ou de um intensificador da infiltração ao metal da matriz e ao material de enchimento.
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 pelo facto de compreender ainda a fase de estabelecer o contacto de pelo menos uma porção do material de enchimento com o precursor de intensificador da infiltração e/ou o intensificador da infiltração durante pelo menos uma porção do processo de infiltração.
7.- Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o intensificador da infiltração ser formado pela reacção de um precursor de intensificador da infiltração e pelo menos uma espécie escolhida no grupo formado pela atmosfera de infiltração, o material de enchimento e o metal da matriz.
8.- Processo de acordo com a reivindicação 7, 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 em pelo menos uma porção do material de enchimento.
10.- Processo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo facto de o produto da reacção ser pelo menos parcialmente redutível pelo metal da matriz fundido.
11. - 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 compreender ainda a fase de definir um limite de superfície do enchimento com uma barreira, infiltrando-se o metal da matriz espontaneamente até à barreira.
13·- Processo de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo facto de a barreira compreender um material escolhido no grupo formado pelo carbono, a grafite e o diboreto de titânio.
14.- Processo de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo facto de o meio de barreira ser substancialmente não molhável pelo metal da matriz.
15·- Processo de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo facto de o meio de barreira compreender pelo menos um material çue permite a comunicação entre uma atmosfera infiltrante e o metal da matriz e/ou o material de enchimento, e/ou o intensificador da infiltração e/ou o precursor de intensificador da infiltração.
16. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o material de enchimento compreender pelo menos um material escolhido no grupo formado por pós, flocos, plaquetas, microesferas, filamentos, emaranhados, pérolas, fibras, partículas, mantos de fibras, fibras cortadas, esferas, grânulos, túbulos e tecidos refractários.
17. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o material de enchimento ter uma solubilidade limitada no metal da matriz fundido.
18. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o material de enchimento compreender pelo menos um material cerâmico.
19. - 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.
20. - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o metal da matriz compreender alumínio, o precursor de intensificador da infiltração compreen-54- der zinco e a atmosfera infiltrante compreender oxigénio.
21. - Processo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo facto de o intensificador da infiltração e/ou o precursor de intensificador da infiltração ser proporcionado num limite entre o material de enchimento e o 'metal da matriz.
22. - 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.
23·- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o metal da matriz compreender alumínio e pelo menos um elemento de liga escolhido no grupo formado pelo silício, o ferro, o cobre, o manganês, o crómio, o zinco, o cálcio, o magnésio e o estrôncio.
24.- Processo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração e/ou o intensificador da infiltração serem proporcionados quer no metal da matriz quer no material de enchimento .
25·- Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração e/ou o intensificador da infiltração serem proporcionados em mais de um entre o metal da matriz, o material de enchimento e a atmosfera infiltrante.
26. - Processo de acordo com a reivindicação·1, caracterizado pelo facto de a temperatura durante a infiltração espontânea ser superior ao ponto de fusão do metal da matriz, mas inferior à temperatura de volatilização do metal da matriz e ao ponto de fusão do material de enchimento.
27. - Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo facto de a atmosfera infiltrante compreender uma atmosfera escolhida no grupo formado pelo oxigénio e o azoto.
28. - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração compreender um material escolhido no grupo formado pelo magnésio, o estrôncio e o cálcio.
29. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o metal da matriz compreender alumínio e o material de enchimento compreender um material escolhido no grupo formado pelos óxidos, os carbonetos, os bore-56tos e os nitretos.
30.- Processo de acordo com as reivindicações 1 ou 3, caracterizado pelo facto de o pré-molde ser mergulhado de maneira substancialmente completa na massa líquida.
31-- Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo facto de se fazer borbulhar a atmosfera infiltrante na massa líquida.
32.- Processo de acordo com as reivindicações 1 ou 3, caracterizado pelo facto de o pré-molde ser colocado dentro de um meio amovível para mergulhar o pré-molde e o meio de imersão amovível ser colocado na massa líquida.
33-- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o pré-molde ser fixado num meio de lastro para vencer a flutuação do pré-molde na massa líquida.
34.- Processo de acordo corr. a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de proporcionar uma atmosfera inerre por cima da massa líquida.
35·- Processo de acordo con as reivindicações 1 ou

3, caracterizado pelo facto de o pré-molde ser formado pelo enrijamento do material de enchimento num molde.

A
36. - Processo de acordo com a reivindicação 35, caracterizado pelo facto de 0 molde ser reutilizável.
37. - Processo de acordo com a reivindicação 35, caracterizado pelo facto de 0 molde ser consumido durante a infiltração espontânea.
38.- Processo de acordo com a reivindicação 32, caracterizado pelo facto de 0 meio de imersão amovível compreender uma base, um certo número de barras fixadas na base, uma tampa fixada amovivelmente a pelo menos um certo número de barras e um cabo fixado à base e/ou a tareca.
39«- Processo de acordo com a reivindicação 32, caracterizado pelo facto de 0 meio de imersão amovível compreender uma base e um cabo fixado na base e por o pré-molde ser fixado amovivelmente na base.

colocado em estratos escolhidos da
40.- Processo de acordo com as reivindicações 1 ou 3, caracterizado pelo facto de se formar uma massa líquida estratificada de vários metais da matriz e por 0 pré-molde ser massa lícuida durante um ntervalo de tempo pré-determinado.