BRPI0809028A2

BRPI0809028A2 - Compósitos polimpericos de pós metálicos

Info

Publication number: BRPI0809028A2
Application number: BRPI0809028-9A2A
Authority: BR
Inventors: Pontus Bergmark; Bjoern Skarman
Original assignee: Hoeganaes Ab Publ
Priority date: 2007-03-21
Filing date: 2008-03-07
Publication date: 2014-09-23
Also published as: KR20090123003A; PL2139630T3; EP2139630B1; TWI370032B; CN101641174B; RU2459687C2; MX2009010085A; TW200902190A; CA2679363C; JP5306240B2; CA2679363A1; RU2009138745A; EP2139630A4; WO2008115130A1; EP2139630A1; US8475709B2; CN101641174A; JP2010522273A; KR101492954B1; BRPI0809028B1

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "COMPÓSITOS POLIMÉRICOS DE PÓS METÁLICOS".

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção refere-se a um novo método para produzir 5 uma peça de compósito. O método compreende uma etapa de compactação de uma composição de pó formando um corpo compactado, seguida por uma etapa de tratamento térmico em que é criado um sistema de poros abertos e seguida por uma etapa de infiltração. A invenção refere-se também a uma peça de compósito.

ANTECEDENTES

Materiais magnéticos moles podem ser usados para aplicações como materiais de núcleos em indutores, estatores, e rotores para máquinas elétricas, atuadores, sensores, e núcleos de transformadores. Tradicionalmente, núcleos magnéticos moles, como rotores e estatores em máquinas 15 elétricas, são feitos de chapas de aço empilhadas. Entretanto, nos últimos anos houve interesse intenso pelos chamados materiais compósitos magneticamente moles (Soft Magnetic Composite (SMC) materiais). Os materiais SMC contêm partículas magnéticas moles, usualmente baseadas em ferro, com um revestimento eletricamente isolante sobre cada partícula. Peças de 20 SMC são obtidas compactando as partículas isoladas, opcionalmente e juntamente com lubrificantes e/ou ligantes, usando o processo tradicional de metalurgia de pó. Usando a técnica de metalurgia de pó é possível produzir materiais tendo maior grau de liberdade no projeto da peça de SMC, em comparação com as que usam chapas de aço, uma vez que o material SMC 25 pode portar um fluxo magnético tridimensional e formas tridimensionais podem ser obtidas no processo de compactação.

Como conseqüência do crescente interesse pelos materiais SMC, melhorias nas características magnéticas de materiais SMC tem sido objeto de intensos estudos visando expandir a utilização desses materiais. Novos pós e processos estão sendo continuamente desenvolvidos para realizar tais melhorias.

Duas características-chave de um componente de núcleo de ferro são sua permeabilidade magnética e sua perda no núcleo. A permeabilidade magnética de um material indica sua capacidade de ser magnetizado ou portar um fluxo magnético. Permeabilidade é definida como a relação entre o fluxo magnético induzido e a intensidade de campo magnético. Quando 5 um material magnético é exposto a um campo alternativo, como por exemplo, um campo elétrico alternativo, ocorrem perdas de energia devido tanto à histerese como às correntes de Foucault. A perda por histerese corresponde ao consumo de energia necessário para superar forças magnéticas retidas no núcleo de ferro e é proporcional à frequência do campo elétrico alternati10 vo. A perda por correntes de Foucault é devido à produção de correntes elétricas no núcleo de ferro devido ao fluxo variável causado por condições de corrente alternada (AC) e é proporcional ao quadrado da frequência do campo elétrico alternativo. Uma resistividade elétrica alta é então desejável a fim de minimizar as correntes de Foucault, sendo de especial importância em 15 frequências mais altas, como por exemplo, acima de cerca de 60 Hz. Para diminuir a perda por histerese e aumentar a permeabilidade magnética de um componente de núcleo é geralmente desejável tratar termicamente uma peça compactada, com o que são reduzidas as tensões induzidas provenientes da compactação. Além disso, para obter as propriedades magnéticas 20 desejadas, como alta permeabilidade magnética, alta indução e baixas perdas no núcleo, é frequentemente necessária densidade alta da peça compactada. Alta densidade é aqui definida como densidade acima de 7,0, preferivelmente acima de 7,3, com máxima preferência cerca de 7,5 g/cm3 para uma peça compactada de ferro.

Além das propriedades magnéticas, são essenciais propriedades

mecânicas suficientes. Resistência mecânica alta é frequentemente um prérequisito para evitar a introdução de trincas, laminações e rupturas e alcançar boas propriedades magnéticas em compactos que após compactação e tratamento térmico foram submetidos a operações de usinagem. Proprieda30 des lubrificantes de um reticulado de polímero impregnado podem também aumentar consideravelmente a vida útil das ferramentas de corte.

Para aumentar a utilização de componentes SMC, alta resistência em temperatura elevada é uma propriedade importante, por exemplo, para componentes usados em aplicações como núcleos de motores, bobinas de ignição, e válvulas de injeção em automóveis.

Resistência mecânica melhor do componente compactado e tra5 tado termicamente pode ser obtida misturando um Iigante ao pó SMC antes da compactação. Na literatura de patentes estão relatadas várias resinas orgânicas, como resinas termoplásticas e termorrígidas, Iigantes inorgânicos como silicatos ou resinas de silício. O tratamento térmico de componentes ligados com resinas orgânicas está restrito a temperaturas comparativamen10 te baixas, inferiores a cerca de 250 0C1 pois o material orgânico é destruído em temperaturas acima de cerca de 250 0C. A resistência mecânica de componentes com Iigantes orgânicos tratados termicamente é boa nas condições normais do ambiente mas se deteriora acima de 100 0 C. Resinas inorgânicas podem ser submetidas a temperaturas mais altas sem afetar as 15 propriedades mecânicas, mas o uso de Iigantes inorgânicos está frequentemente associado a propriedades de pó insatisfatórias, compressibilidade deficiente, baixa usinabilidade e muitas vezes necessidade de ser usado em montantes elevados, o que impossibilita a obtenção de densidades mais altas.

A Patente US 6 485 579 descreve um método para aumentar a

resistência mecânica de um componente SMC tratando termicamente o componente na presença de vapor de água. São relatados valores mais altos para a resistência mecânica na comparação com componentes tratados termicamente em ar; entretanto, nesse caso as perdas no núcleo aumentam. 25 Um método similar é descrito no W02006/135324 em que resistência mecânica alta em combinação com permeabilidade magnética melhorada são obtidas quando lubrificantes sem metal são usados. Os lubrificantes são evaporados em uma atmosfera não redutora antes de se submeter o componente a vapor d’água. Entretanto, a oxidação das partículas de ferro quando o 30 componente é submetido a tratamento com vapor d’água, aumentará também as forças coercitivas e assim as perdas no núcleo. Impregnação, infiltração, e selagem de componentes fundidos injetados ou de pós metálicos (P/M), por exemplo, por um reticulado orgânico são métodos conhecidos para evitar corrosão superficial ou selar porosidade superficial. O grau de penetração do reticulado orgânico será variável dependendo muito da densidade e condições de processamento das peças de PM. Baixos níveis de 5 densidade (< 89% da densidade teórica), condições suaves de sinterização ou de tratamentos térmicos proporcionam fácil penetração e impregnação completa. Para materiais de alto desempenho tendo alta densidade e baixa porosidade os pré-requisitos para impregnação completa são limitados.

Impregnação de componentes SMC para melhorar a usinabilida10 de a fim de produzir componentes protótipos, ou para melhorar a resistência à corrosão, é mostrada, por exemplo, no pedido de patente JP 2004 178 643 em que o líquido de impregnação é constituído por óleos em geral. Além de usinabilidade marginalmente melhorada esse método leva a superfícies gordurosas e escorregadias, piores para manuseio. Óleo não melhora muito a 15 vida de ferramentas de corte porque nunca fica sólido. Da mesma maneira selantes não curados ou moles têm pouco valor na usinagem. Um mecanismo de cura confiável para o polímero associado com resistência mecânica alta da peça de compósito é a melhor garantia para um desempenho consistente na usinagem.

Patentes US 6 331 270 e US 6 548 012 descrevem processos

para fabricar componentes magnéticos moles CA a partir de pós ferromagnéticos não revestidos por compactação dos pós usando um lubrificante adequado seguida por tratamento térmico. É também relatado que para aplicações que exigem maior resistência mecânica, os componentes podem ser 25 impregnados, por exemplo, com resina epóxi. Como são usados pós não revestidos, estes métodos são menos adequados devido a perdas altas por correntes de Foucault, se usados em aplicações submetidas a frequências mais altas, acima de cerca de 60 Hz. A Patente US 5 993 729 trata principalmente de pós baseados em ferro, não revestidos, e infiltração de compac30 tos de baixa densidade produzidos com o auxílio de lubrificação de paredes de matriz. A patente menciona também pós, em que as partículas são revestidas individualmente com uma camada eletroisolante não ligante, contendo óxidos aplicados por processo sol- gel ou por fosfatação. Os elementos magneticamente moles compactados de acordo com a Patente US 5 993 729, estão restritos a aplicações de baixas frequências, abaixo de cerca de 60 Hz, devido à baixa resistividade elétrica. Além disso, o tratamento térmico 5 oxidante do pó ou dos compactados antes do processo de impregnação restringirá ou impedirá totalmente a penetração nos poros do líquido impregnante, especialmente para compactados de alta densidade, acima de cerca de 7,0 g/cm3, e especialmente acima de cerca de 7,3 g/cm3.

OBJETIVO DA INVENÇÃO Um objetivo da presente invenção é prover um método para au

mentar a resistência mecânica de componentes SMC tratados termicamente, especialmente componentes com densidade acima de cerca de 89 % da densidade teórica, (para componentes produzidos a partir de pós de ferro com densidade acima de cerca de 7,0 g/cm3) e tendo coercitividade mais 15 baixa quando comparados com SMC compactos com resistência mecânica mais alta obtida por tratamento térmico convencional em atmosfera oxidante.

Um objetivo adicional da invenção é prover um método para fabricar componentes impregnados tendo tanto alta densidade como alta resistência mecânica em temperaturas elevadas, por exemplo, acima de cerca de 150°C.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Os objetivos acima mencionados da invenção são atingidos por um método para produzir peças de compósito, o método compreendendo as etapas de compactar uma composição de pó contendo um lubrificante for25 mando um corpo compactado; aquecer o corpo compactado a uma temperatura acima da temperatura de vaporização do lubrificante de modo que o lubrificante seja substancialmente removido do corpo compactado, submeter o corpo compactado tratado termicamente obtido a um compósito polimérico líquido contendo estruturas de reforço de dimensões nanométricas ou mi30 crométricas, e solidificar o corpo compactado tratado termicamente contendo compósito polimérico líquido, por secagem e/ou por pelo menos um tratamento de cura. Submetendo o corpo compactado tratado termicamente a um polímero líquido contendo estruturas de reforço de dimensões nanométricas e/ou micrométricas, o compósito polimérico líquido pode impregnar e/ou se infiltrar no corpo compactado tratado termicamente, mesmo que o corpo compactado contenha cavidades pequenas. A solidificação subsequente do 5 corpo compactado tratado termicamente contendo o compósito polimérico líquido proporciona um reticulado interpenetrante contendo estruturas de reforço de dimensões nanométricas ou micrométricas resultando em um corpo compactado tratado termicamente com resistência mecânica aumentada e melhor usinabilidade, em comparação com o obtido por métodos con10 vencionais de impregnação e/ou infiltração.

O reticulado interpenetrante orgânico da presente invenção, proporciona além de maior resistência mecânica, também usinabilidade melhorada, em comparação com métodos convencionais de impregnação ou infiltração. O polímero orgânico pode ser escolhido para proporcionar ao com15 pactado impregnado alta resistência mecânica em temperaturas elevadas, acima de cerca de 100 MPa a cerca de 150°C.

A presente invenção permite impregnação bem-sucedida de compactados de até 98% de densidade teórica. A introdução de um reticulado interpenetrante, que pode ter propriedades lubrificantes, em um corpo 20 compactado pode aumentar consideravelmente a vida útil de ferramentas de corte e equipamentos usados para processar o corpo compactado tratado termicamente, em comparação com métodos convencionais de impregnação e/ou infiltração.

Em uma modalidade da invenção, a composição de pó compreende adicionalmente um pó magnético mole, preferivelmente de partículas magnéticas moles baseadas em ferro, em que as partículas compreendem adicionalmente um revestimento eletricamente isolado.

Assim, o método pode também produzir peças/componentes magneticamente moles e com isso combinar a resistência mecânica aumentada do corpo compactado tratado termicamente com propriedades magnéticas melhoradas. Adicionalmente, o método pode melhorar a usinabilidade de um componente SMC, que pode preservar boas propriedades magnéticas após uma operação de usinagem.

Adicionalmente, o método possibilita a fabricação de componentes magneticamente moles impregnados tendo tanto alta densidade como alta resistência mecânica. A densidade e resistência mecânica elevadas podem também estar presentes em temperaturas elevadas, por exemplo, acima de cerca de 150°C.

Adicionalmente, a invenção provê um método para produzir um componente compósito magneticamente mole tendo propriedades de redução de ruído ou amortecimento acústico para, por exemplo, ruído causado por forças dinâmicas como forças de magnetostrição.

Em uma modalidade da invenção, as estruturas de reforço compreendem nanotubos de carbono, preferivelmente nanotubos de parede simples.

Os nanotubos de carbono proporcionam resistência aumentada ao corpo compactado tratado termicamente. As estruturas de reforço podem ter sido funcionalizadas quimicamente.

Em uma modalidade da invenção, o método compreende adicionalmente a etapa de sinterizar o corpo tratado termicamente após o tratamento térmico do corpo compactado.

Desta maneira, o método de acordo com a invenção pode ser

aplicado, por exemplo, a peças sinterizadas. Assim, componentes submetidos a temperaturas de aquecimento em que ocorre sinterização podem também ser produzidos pelo método. No caso de sinterização, as partículas de pó não precisam ser revestidas.

Modalidades adicionais do método são descritas na descrição

detalhada abaixo em conjunto com as reivindicações e figuras.

Adicionalmente, a invenção descreve uma peça de compósito. DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

Em contraste com métodos conhecidos de impregnação ou infiltração, a presente invenção possibilita que o compósito polimérico líquido penetre plenamente em corpos mesmo com densidades tão altas como 7,70 g/cm3 para compactados produzidos com pós baseados em ferro. Um SMC compactado impregnado de acordo com a presente invenção pode, assim, apresentar resistência mecânica inesperadamente alta em um amplo intervalo de temperaturas de criogênicas a altas (por exemplo, acima de cerca de 150°C) bem como propriedades de usinagem e resistência à corrosão me5 lhoradas.

Um aspecto adicional do polímero SMC compactado impregnado é um aparente amortecimento acústico (isto é redução de ruído) em aplicações de alta indução e alta frequência. O ruído proveniente de forças dinâmicas como, por exemplo, magnetostrição, ou outras cargas mecânicas, po10 de ser reduzido com uma impregnação, em comparação com compactados não-impregnados. A redução de ruído aumenta com a fração de volume do impregnante (isto é menor densidade de compactado).

Os pós magnéticos moles usados de acordo com a presente invenção podem ser pós baseados em ferro eletricamente isolados como pós 15 de ferro puro ou pós de ligas de ferro com outros elementos como Ni, Co, Si, ou Al. Por exemplo, o pó magnético mole pode consistir substancialmente em ferro puro ou pode pelo menos ser baseado em ferro. Por exemplo, os pós podem ser, por exemplo, pós de ferro comercialmente disponíveis atomizados por água ou atomizados por gás ou pós de ferro reduzidos, como 20 pós de ferro esponja.

As camadas eletricamente isolantes, que podem ser usadas de acordo com a invenção, podem ser camadas finas contendo fósforo e/ou barreiras e/ou revestimentos do tipo descrito na patente US 6 348 265, que é aqui incorporada por referência. Outros tipos de camadas isolantes podem 25 também ser usados e estão divulgados em, por exemplo, Patentes US 6 562 458 e 6 419 877. Pós que têm partículas isoladas e que podem ser usados como materiais de partida de acordo com a presente invenção, são, por exemplo, Somaloy®500 e Somaloy®700 disponíveis em Hõganas AB1 Suécia.

O tipo de lubrificante usado na composição de pó metálico pode ser importante e pode, por exemplo, ser selecionado entre substâncias lubrificantes orgânicas que vaporizam em temperaturas acima de cerca de 200°C e, se aplicável, abaixo da temperatura de decomposição do revestimento ou camada eletricamente isolante.

O lubrificante pode ser selecionado para vaporizar sem deixar resíduos que possam bloquear poros e com isso impedir que uma subsequente impregnação seja feita. Sabões metálicos, por exemplo, que são co5 mumente usados para a compactação de pós de ferro ou pós baseados em ferro, deixam resíduos de óxido metálico no componente. Entretanto, no caso de densidade inferior a 7,5 g/cm3, a influência negativa destes resíduos é menos acentuada, permitindo o uso de lubrificantes contendo metais nesta condição.

Outros exemplos de agentes lubrificantes são alcoóis graxos,

ácidos graxos, derivados de ácidos graxos, e ceras. Exemplos de alcoóis graxos são álcool estearílico, álcool beenílico, e combinações dos mesmos. Amidas primárias e secundárias de ácidos graxos saturados ou insaturados podem também ser usadas, por exemplo, estearamida, erucil estearamida, e 15 combinações dos mesmos. As ceras, por exemplo, podem ser escolhidas entre ceras polialquilênicas, como etileno bis- estearamida.

O montante de lubrificante usado pode variar e ser, por exemplo, 0,05-1,5 %, alternativamente 0,05-1,0 %, alternativamente 0,1 -0,6 % em peso da composição a ser compactada.

Um montante de lubrificante inferior a 0,05 % em peso da com

posição pode causar desempenho deficiente na lubrificação, que pode resultar em superfícies riscadas no componente ejetado, que por sua vez podem bloquear os poros superficiais e complicar os processos subsequentes de vaporização e impregnação. A resistividade elétrica dos componentes com25 pactados produzidos a partir de pós revestidos pode ser afetada negativamente, principalmente em função de uma camada isolante deteriorada, causada por lubrificação deficiente, tanto interna como externa.

Um montante de lubrificante superior a 1,5 % em peso da composição pode melhorar as propriedades de ejeção, mas geralmente resulta em densidade verde demasiadamente baixa do componente compactado, ocasionando indução magnética e permeabilidade magnética baixas.

A compactação pode ser executada em temperatura ambiente ou elevada. O pó e/ou a matriz podem ser preaquecidos antes da compactação. Por exemplo, a temperatura da matriz pode ser ajustada a uma temperatura de não mais que 60 0C abaixo da temperatura de fusão da substância lubrificante usada. Por exemplo, para estearamida, a temperatura da matriz 5 pode ser 40-1OO0C, pois estearamida funde aproximadamente a 100°C.

A compactação pode ser feita entre 400 e 1400 MPa. Alternativamente, a compactação pode ser feita em pressão entre 600 e 1200 MPa.

O corpo compactado pode subsequentemente ser submetido a tratamento térmico a fim de remover o lubrificante em uma atmosfera não 10 oxidante em temperatura acima da temperatura de vaporização do lubrificante. Caso o pó esteja revestido com uma camada isolante - a temperatura do tratamento térmico pode ficar abaixo da temperatura de decomposição da camada inorgânica eletricamente isolante.

Por exemplo, para muitos lubrificantes e camadas isolantes isto 15 significa que a temperatura de vaporização deveria ficar abaixo de 650°C, por exemplo, abaixo de 500°C, como entre 200 e 450°C. O método de acordo com a presente invenção, entretanto, não é particularmente restrito a estas temperaturas. O tratamento térmico pode ser conduzido em uma atmosfera inerte, em particular uma atmosfera não oxidante, como, por exemplo, 20 nitrogênio ou argônio.

Se o tratamento térmico é conduzido em uma atmosfera oxidante, oxidação superficial das partículas de ferro ou baseadas em ferro pode ocorrer e restringir ou impedir o fluxo de um impregnante, (isto é líquido de impregnação) no reticulado poroso do corpo compactado. A extensão da 25 oxidação depende da temperatura e do potencial de oxigênio da atmosfera. Por exemplo, se a temperatura é inferior a cerca de 400 0C em ar, uma penetração adequada de impregnante pode ocorrer. Isso pode proporcionar ao compactado impregnado uma resistência mecânica aceitável, mas pode levar a uma relaxação de tensão inaceitável, com propriedades magnéticas 30 insatisfatórias, como conseqüência.

O corpo sem lubrificante pode subsequentemente ser imerso em um impregnante, por exemplo, em um recipiente de impregnação. Subsequentemente a pressão no recipiente de impregnação pode ser reduzida. Depois que a pressão do recipiente de impregnação alcançou valor inferior a aproximadamente 0,1 mbar, a pressão atmosférica é restabelecida, com o que o impregnante é forçado a fluir para dentro dos poros do corpo compac5 tado até que a pressão seja equalizada. Dependendo da viscosidade do impregnante, densidade e tamanho do compactado, o tempo e a pressão necessários para impregnar completamente o compactado podem variar.

A impregnação pode ser conduzida em temperaturas elevadas (por exemplo, até 50°C) a fim de diminuir a viscosidade do líquido e melhorar a penetração do impregnante no corpo compactado, bem como reduzir o tempo necessário para o processo.

Adicionalmente, o compactado pode ser submetido à pressão reduzida e/ou temperatura elevada antes de ser imerso no impregnante. Assim, ar aprisionado e/ou gases condensados presentes dentro dos compac15 tados podem ser removidos e assim a subsequente impregnação pode ocorrer mais rapidamente. A penetração pode também ser mais rápida e mais completa se a pressão for elevada para valor superior ao da pressão atmosférica após o tratamento de impregnação em baixa pressão.

É necessário, entretanto, tomar cuidado para que a estequiome20 tria do impregnante não seja alterada por perdas de material volátil durante o processo de vácuo. Assim, tempo, pressão, e temperatura de impregnação devem ser selecionados por um versado na técnica levando em consideração a densidade do componente, a temperatura e/ou atmosfera em que o componente foi tratado termicamente, resistência mecânica e profundidade 25 de penetração desejadas, e o tipo de impregnante.

O processo de impregnação é iniciado na superfície do corpo compactado e penetra para o centro do corpo. Em alguns casos uma impregnação parcial pode ser efetuada e assim de acordo com uma modalidade da invenção o processo de impregnação é terminado antes que as super30 fícies de todas as partículas do corpo compactado tenham sido submetidas ao líquido de impregnação. Neste caso, uma crosta impregnada pode envolver um núcleo não impregnado. Assim se o grau de penetração já proporcionou ao componente um nível aceitável de resistência mecânica e propriedades de usinagem, o processo de impregnação pode ser terminado antes que penetração completa através do corpo compactado tenha ocorrido.

Em casos em que a compatibilidade química entre reticulado 5 metálico do corpo compactado e o impregnante não é favorável, a superfície dos vazios de interpenetração do corpo compactado pode ser tratada com modificadores de superfície, reticuladores, agentes de acoplamento e/ou molhabilidade, como silanos ou silazanos orgânicos funcionais, titanatos, aluminatos, ou zirconatos, antes do tratamento de impregnação de acordo 10 com a invenção. Outros alcóxidos metálicos bem como silanos, silazanos, siloxanos inorgânicos, e ésteres de ácido silícico podem também ser usados.

Em alguns casos em que a penetração do compósito polimérico líquido no corpo compactado é especialmente difícil, o processo de impregnação pode ser melhorado com o auxílio de forças de magnetostrição. As 15 peças, o corpo compactado e o fluido de impregnação, são então expostos a um campo magnético alternativo externo durante o processo de impregnação.

Impregnante supérfluo pode ser removido antes que o compactado impregnado seja curado em temperatura elevada e/ou atmosfera anae20 róbica. O impregnante supérfluo pode, por exemplo, ser removido por força centrífuga e/ou ar pressurizado e/ou imersão em um solvente adequado. Procedimentos de impregnação, como por exemplo, os métodos empregados por SoundSeaI AB, Suécia, e P. A. System srl, Itália, podem ser aplicados. O processo de remoção de impregnante supérfluo pode, por exemplo, 25 ser executado em bateladas em câmaras de vácuo e/ou fornos de vácuo que são comercialmente disponíveis. Os sistemas poliméricos para impregnação de acordo com a presente invenção podem, por exemplo, ser resinas orgânicas curáveis, resinas termorrígidas, e/ou polímeros fundíveis que solidificam abaixo de sua temperatura de fusão em um material termoplástico.

O sistema polimérico pode ser qualquer sistema ou combinação

de sistemas que permita adequada integração com estruturas de dimensões nanométricas por meio de forças físicas ou químicas como, por exemplo, forças de Van der Waals, ligações de hidrogênio e ligações covalentes.

Para simplificar o manuseio e usar a resina em operações contínuas, os sistemas poliméricos podem por exemplo, ser escolhidos no grupo de resinas que curam em temperaturas elevadas (por exemplo, acima de 5 cerca de 40°C) e/ou em um ambiente anaeróbico. Exemplos de tais sistemas poliméricos para impregnação podem, por exemplo, ser resinas epóxi ou acrílicas com, baixa viscosidade em temperatura ambiente e tendo boa termoestabilidade.

Resinas termorrígidas de acordo com a presente invenção, po10 dem por exemplo, ser polímeros reticulados como poliacrilatos, ésteres cianato, poli-imidas e epóxis. Resinas termorrígidas exemplificadas por epóxis podem ser resinas em que a reticulação ocorre entre a resina epóxi contendo grupos epóxido e agentes de cura formando grupos funcionais correspondentes para reticulação. O processo de reticulação é denominado "cura". 15 O sistema polimérico pode ser qualquer sistema ou combinação

Exemplos de epóxis incluem, mas não se limitam a, diglicidil éter de bisfenol A (DGBA), bisfenol do tipo F, tetraglicidil metileno dianilina (TGDDM), epóxi novolac, epóxi cicloalifático, epóxi bromado.

Exemplos de agentes de cura correspondentes compreendem, mas não se limitam a, aminas, anidridos de ácido, amidas etc. A variedade de agentes de cura pode ser adicionalmente exemplificada por aminas; ami25 nas cicloalifáticas como bis- para-aminocicloexil metano (PACM), aminas alifáticas como tri-etileno- tetra-amina (TETA) e dietileno-triamina (DETA), aminas aromáticas como dietil-tolueno-diamina e outras.

Resinas anaeróbicas podem ser selecionadas em qualquer base de polímeros ou oligômeros que são reticulados por remoção de oxigênio, exemplificadas por acrílicos como acrilato de uretano, metacrilato, metacrilato de metila, éster metacrilato, di- ou monoacrilato de poliglicol, metacrilato de alila, metacrilato de tetra-hidro furfurila e moléculas mais complexas como hidroxietilmetacrilato-N-N-dimetil-p- toluidin-N-óxido e combinações das mesmas.

Termoplásticos de acordo com a invenção podem ser materiais fundíveis que podem também ser aquecidos para impregnação. Exemplos 5 de materiais para impregnação compreendem vários polímeros de baixa temperatura como polietileno (PE), polipropileno (PP)1 etilenovinilacetato e materiais de alta temperatura como polieterimida(PEI), poli-imida (PI), fluoretilenopropileno (FEP), e polifenilenossulfeto (PPS), polietersulfona (PES) etc. Os sistemas poliméricos podem compreender adicionalmente aditivos como, 10 mas não limitados a, plastificantes, agentes antidegradação como antioxidantes, diiuentes, agentes de tenacidade, borracha sintética e suas combinações.

O projeto do sistema polimérico torna possível obter as propriedades desejadas do corpo compactado impregnado como resistência mecânica melhorada, resistência à temperatura, propriedades acústicas e/ou usinabilidade.

A presente invenção permite projetar e engenheirar várias fases poliméricas para várias aplicações pela incorporação de estruturas de reforço de dimensões nanométricas e/ou micrométricas como por exemplo, partí20 cuias, plaquetas, whiskers, fibras, e/ou tubos como enchimentos funcionais nos sistemas poliméricos. O termo "dimensão nanométrica" significa aqui tamanhos em que pelo menos duas dimensões de uma estrutura tridimensional estão na faixa de 1 nm a 200 nm. Materiais de dimensões micrométricas como fibras, whiskers, e partículas na faixa de 200 nm a 5 pm podem 25 também ser usadas, por exemplo, quando os vazios de um reticulado interpenetrante, por exemplo, num corpo compactado são grandes.

Estas estruturas podem contribuir com propriedades melhoradas para os reticulados interpenetrantes dos sistemas poliméricos/impregnantes. Para atingir uma desejada dispersão na fase polimérica, as estruturas de 30 dimensão nanométrica podem ser funcionalizadas quimicamente. As estruturas funcionalizadas de dimensões nanométricas ou micrométricas podem também ser dispersadas na fase polimérica pela adição de solventes compatíveis, tratamento térmico, tratamento com vácuo, agitação, calandragem, ou tratamento ultrassônico, formando um aqui designado compósito polimérico líquido.

Nanotubos de carbono (CNT), isto é nanotubos de paredes sim5 pies ou múltiplas (single- or multi- walled nanotubes SWNT, MWNT) e/ou outros materiais de dimensões nanométricas podem, por exemplo, ser usados como estruturas de reforço nos sistemas poliméricos.

Pelo menos duas dimensões de cada constituinte individual de um enchimento funcional e/ou estrutura de reforço devem por exemplo, ser inferiores a 200 nm, alternativamente por exemplo, menores que 50 nm, e alternativamente menores que 10 nm.

A forma dos constituintes do enchimento funcional e/ou do reforço pode, por exemplo, ser alongada, como tubos e/ou fibras e/ou whiskers, por exemplo, com comprimentos entre 0,2 μιτι e 1 mm.

A superfície dos constituintes de enchimento funcional e/ou re

forço pode, por exemplo, ser funcionalizada quimicamente para ser compatível com um sistema polimérico escolhido. Assim os constituintes do enchimento funcional e/ou reforço podem ficar substancialmente dispersos de modo completo no sistema polimérico e evitar agregação. Tal funcionaliza20 ção pode, por exemplo, ser conduzida usando modificadores de superfície, reticuladores, agentes de acoplamento e/ou molhabilidade, que podem ser vários tipos de silanos ou silazanos orgânicos funcionais, titanatos, aluminatos, ou zirconatos. Outros alcóxidos metálicos bem como silanos, silazanos, siloxanos inorgânicos, e ésteres de ácido silícico podem também ser usados. 25 Estruturas de dimensões nanométricas, como nanotubos e nanopartículas de carbono, são disponíveis em muitos fornecedores. Resinas poliméricas reforçadas CNT's são comercialmente disponíveis em, por exemplo, Amroy Europe, Inc (Hybtonite®) ou Arkema/Zyvex Ltd (NanoSolve®).

Em geral, quaisquer dos aspectos técnicos e/ou modalidades descritas acima e/ou abaixo podem ser combinadas em um modo de realização. Alternativamente ou adicionalmente quaisquer dos aspectos técnicos e/ou modalidades descritas acima e/ou abaixo podem estar em modalidades separadas. Alternativamente ou adicionalmente quaisquer dos aspectos técnicos e/ou modalidades descritas acima e/ou abaixo podem ser combinadas com qualquer número de outros aspectos técnicos e/ou modalidades descritas acima e/ou abaixo para formar qualquer número de modalidades.

Embora algumas modalidades tenham sido descritas e mostra

das em detalhe, a invenção não é restrita a elas, mas pode também ser realizada em outras modalidades dentro do escopo definido nas reivindicações a seguir. Em particular, deve ser entendido que outras modalidades podem ser utilizadas e modificações estruturais e funcionais podem ser feitas sem sair do escopo da presente invenção.

Em reivindicações de dispositivos enumerando vários meios, vários destes meios podem corresponder a um só item de equipamento. O mero fato de que certas medidas são recitadas em reivindicações diferentes mutuamente dependentes ou descritas em diferentes modalidades não indi15 ca que uma combinação destas medidas não possa ser usada com vantagem.

Deve ser enfatizado que os termos "contém/contendo" “compreende/compreendendo” quando usados neste relatório indicam a presença de certas características, inteiros, etapas ou componentes, mas não impedem a presença ou adição de uma ou mais outras características, inteiros, etapas ou componentes ou grupos das mesmas.

Como pode ser visto nos exemplos seguintes, um novo tipo de componentes compósitos magneticamente moles pode ser obtido pelo método de acordo com a invenção.

EXEMPLOS

A invenção é ilustrada adicionalmente pelos seguintes exemplos não limitativos.

Exemplo 1

Como material de partida Somaloy® 700 disponível em Hõganas AB foi usado. Uma composição, (amostra A), foi misturada com 0,3 % em peso de um lubrificante orgânico, estearamida, e uma segunda composição, (amostra B), com 0,6 % em peso de um Iigante de lubrificante orgânico, a poliamida Orgasol® 3501.

As composições foram compactadas a 800 MPa em amostras toroidais tendo um diâmetro interno de 45 mm, diâmetro externo de 55 mm e altura de 5 mm, e em amostras de resistência à ruptura transversa (amostras 5 TRS) com as densidades especificadas na Tabela 1. A temperatura da matriz foi controlada em 80°C.

Após compactação, as amostras foram ejetadas da matriz e submetidas a tratamento térmico. Três compactados de amostra A foram tratados a 530°C durante 15 minutos em uma atmosfera de ar (A1) e nitro10 gênio (A2, A3), respectivamente. A amostra A2 foi adicionalmente submetida à impregnação de acordo com a invenção usando uma resina epóxi reforçada com CNTs. O terceiro compactado de amostra A, tratado em nitrogênio, foi adicionalmente submetido a tratamento com vapor de água a 520°C de acordo com o processo descrito no W02006/135324 (A3). Um compactado 15 de amostra B foi tratado a 225°C durante 60 minutos em ar.

Resistência à ruptura transversa foi medida nas amostras TRS de acordo com ISO 3995. As propriedades magnéticas foram medidas em amostras toroidais com 100 drive e 100 "sense turns" usando um histeresímetro de Brockhaus. A coercitividade é medida a 10 kA/m, e a perda no núcleo é medida a 1T e 400 Hz.

Tabela 1.

Amostra Aditivo Tratamento Atmosfera Densidade TRS TS força térmico [g/cm3] [MPa] [MPa] coerciva Hc [A/m] Al (Ref) 0,30 % 530°C, 15 N2 7,54 43 8 200 A2 N2 + Im- 7,54 120 62 180 preg A3 N2 + vapor 7,54 130 66 220 B 0,60 % 225°C, 60 Ar 7,40 105 40 300 em peso min de poli¬ amida Como pode ser visto na Tabela 1, resistência mecânica alta das amostras pode ser alcançada por um processo de acordo com a invenção (A2), por oxidação interna (A3), ou por adição de um Iigante orgânico à composição de pó (B). Entretanto, o uso do Iigante orgânico restringe a tempera5 tura do tratamento térmico a 225°C, levando a propriedades magnéticas inadequadas. A amostra (A3) tratada com vapor, apresenta alta resistência, mas alta coercitividade (He) quando comparada com a amostra impregnada (A2). A amostra produzida de acordo com a invenção (A2) apresenta alta resistência mecânica em combinação com baixa força coercitiva.

Exemplo 2

Um pó magnético mole eletricamente isolado, Somaloy® 700, disponível em Hõganas AB, foi misturado com 0,5 % em peso de estearamida (C), cera etileno bisestearamida (cera EBS) (D), e -estearato de zinco (E), respectivamente, e compactado a 7,35 g/cm<3>. As amostras foram adicio15 nalmente submetidas a um tratamento térmico durante 45 minutos em ar a 350 0C, ou em uma atmosfera de nitrogênio a 530°C. Uma amostra com estearamida (C2) foi deslubrificada em ar a 530°C. Todos os componentes deslubrificados foram em seguida submetidos à impregnação de acordo com a invenção usando uma resina epóxi reforçada com CNT's. As propriedades 20 magnéticas e mecânicas foram medidas de acordo com Exemplo 1 e sumarizadas na Tabela 2 abaixo.

Tabela 2

Amostra Tratamento de TRS Resistividade Perda no Desempenho vaporização [MPal ^Ohm*m] núcleo [W/kgl global C (esteara¬ 1. 350°C Ar 100 500 70 Deficiente 2. 530°C Ar 50 200 50 Deficiente 3. 530°C N2 120 150 55 Bom D (Cera 1. 350°C N2 40 450 73 Deficiente 2. 530°C N2 120 120 58 Aceitável Estearato de 1. 350°C N2 40 400 76 Deficiente 2. 530°C N2 90 100 73 Aceitável *Etileno bis-estearamida (Acrawax®)

Como pode ser visto na Tabela 3, a atmosfera e a temperatura, em que a vaporização é conduzida é de grande importância.

Estearamida (amostra C) é completamente vaporizada acima de 300°C tanto em atmosfera de gás inerte como no ar. Se a vaporização é efetuada em ar em temperatura demasiadamente alta os poros superficiais são bloqueados impedindo o sucesso de uma subsequente impregnação resultando em baixo valor de TRS (C2). Se o tratamento térmico é conduzido em atmosfera oxidante em uma temperatura mais baixa, a impregnação pode ter sucesso, mas leva a propriedades magnéticas inaceitáveis (C1 ). A cera EBS (amostra D) não pode ser vaporizada a 350°C, mas é removida do compactado acima de 400°C. Se a temperatura de vaporização é demasiadamente baixa, o lubrificante orgânico residual bloqueará os poros. Estearato de zinco é vaporizado acima de 480°C, mas deixa resíduo de ZnO que proporciona compactados deficientemente impregnados de baixa resistência. A temperatura de vaporização mais alta possível é preferida, pois isto possibilita a desejada relaxação de deformação e assim baixa a coercitividade e a perda no núcleo.

Exemplo 3

Neste exemplo, pó Somaloy® 500, disponível em Hõganas AB,

tendo um tamanho médio de partícula menor que o tamanho médio de partícula de Somaloy®700 foi usado. Somaloy®500 foi misturado com 0,5 % em peso de estearamida e compactado a 800 MPa usando uma temperatura de matriz de 80°C. Duas amostras compactadas foram adicionalmente subme25 tidas a um tratamento térmico em gás inerte durante 15 minutos a 500°C (amostras F e G). Amostra G foi adicionalmente submetida à impregnação de acordo com a invenção usando resina acrílica anaeróbica reforçada com CNTs.

As propriedades magnéticas e mecânicas foram medidas de acordo com o Exemplo 1. Tabela 3

Amostra Densidade TRS Resistividade Perda no [g/cm3] [MPa] [μΟΙιιτι*ιτι] núcleo [W/kg] F (Esteara¬ 7,36 45 200 65 mida) G (Esteara¬ 7,36 130 200 65 mida) A Tabela 3 mostra claramente que a invenção pode ser usada para fabricar componentes baseados em pós eletricamente isolados com 5 tamanho de partícula mais fino.

Exemplo 4

Como material de partida Somaloy®700, disponível em Hõganas AB, foi usado. Todas as amostras de pó foram misturadas com 0,3 % em peso de um lubrificante orgânico, estearamida. As composições foram com10 pactadas a 1100 MPa em barras TRS (30x12x6 mm) de densidade 7,58 g/cm3. A temperatura da matriz foi controlada a 80°C. As propriedades mecânicas foram medidas de acordo com exemplo 1 e sumariadas na tabela 4 abaixo.

Após compactação as amostras foram submetidas a um trata15 mento térmico em atmosfera inerte durante 15 minutos a 550°C. Os reticulados porosos dos compactados foram em seguida impregnados de acordo com a invenção usando vários tipos de impregnantes, isto é, sistemas poliméricos curáveis reforçados. Todos os compósitos poliméricos líquidos têm baixa viscosidade em temperatura ambiente. Como reforço SWNT foi usado 20 com 1,0 % em peso de polímero. Tabela 4.

Amos¬ Resina polimé¬ Endurece- Reforço TRS @ RT TRS tra rica dor [MPa] @150°C [MPa] H Nenhum Nenhum Nenhum 40 40 (Ref) I Polímero tipo Amroy Nenhum 70 50 CNT 130 110 J Polímero tipo Isoforona- Nenhum 65 60 CNT 120 110 K Polímero tipo Anaeróbi- Nenhum 60 45 CNT 120 105 L Polímero ter- Nenhum Nenhum 70 65 CNT 120 110 Como pode ser visto na Tabela 4, a TRS é melhorada significati

vamente para todos os tipos, mas com o uso de reforço é obtido um resultado superior para a resistência mecânica (por exemplo, TRS). Com escolha cuidadosa do sistema polimérico (isto é impregnante) a resistência mecânica pode ser mantida em temperaturas de 150°C ou mais alta.

Exemplo 5

Como material de partida, Somaloy(R)700, disponível em 10 Hõganas AB, foi usado. Todas as amostras de pó foram misturadas com 0,3 % em peso de um lubrificante orgânico, estearil erucamida (SE). As composições foram compactadas a 800 MPa ou 1100 MPa usando uma temperatura da matriz de 60°C, até densidade de 7,54 g/cm3, com exceção da amostra M3, que foi compactada a 7,63 g/cm3 usando 0,2 % em peso de SE.

Após compactação, as amostras foram submetidas a um trata

mento térmico em atmosfera inerte a 550°C durante 15 minutos. O reticulado poroso dos compactados foi depois enchido usando vários tipos de impregnantes, como sistemas poliméricos curáveis ou óleos não curáveis, reforçados ou não. Todos os impregnantes apresentam baixa viscosidade em temperatura ambiente e estão listados na Tabela 5.

As propriedades magnéticas foram medidas em cilindros de OD 64xH 20 mm após usinagem por torneamento em toróides OD 64/ID 35 x H 14,5 mm (100 drive e 50 "sense").

Tabela 5.

Impregnante Reforço TRS Coercividade Permeabilidade Usinabilidade @ [A/M] máxima RT [MPal M. Resina 1. Ne¬ 70 180 500 Aceitável epóxi nhum 2. CNT 120 175 550 Excelente 3. CNT* 100 170 570 Bom N. Resina 1. Ne¬ 80 182 350 Aceitável acrílica nhum 2. CNT 130 178 450 Bom O. Termo- 1. Ne¬ 60 184 450 Aceitável plástico (LD- nhum 2. CNT 120 180 550 Excelente P. Óleo Nenhum 45 185 280 Deficiente (Nimbus ® 410) Q. Loctite® Nenhum 65 180 360 Aceitável Resinol RTC R. referên¬ 120 225 250 Muito defici¬ cia 1 tratado ente com vapor** S. Referên¬ - 55 210 230 Deficiente cia 2 Con¬ vencional * Densidade prensado 7,63 g/cm3

** Usinado após tratamento com vapor de água

*** Usinado verde e subsequentemente tratado termicamente em ar a 530°C Baixa permeabilidade pode indicar presença de trincas e Iamina5 ção, causadas por forças abrasivas e vibrações durante o trabalho de usinagem. A força coercitiva pode também ser aumentada se as propriedades de usinagem são reduzidas. Sinais de propriedades de usinagem deficientes são acabamento superficial manchado, rupturas, trincas e desgaste de ferramentas. Amostras PaS são incorporadas para comparação.

Peças que foram usinadas antes de tratadas (S) e oxidadas para

melhor resistência (R)1 apresentam não só alta coercitividade, mas também propriedades de usinagem deficientes e assim más propriedades magnéticas. Excelentes propriedades magnéticas após usinagem podem ser obtidas quando o impregnado tem boas propriedades de usinagem juntamente com alta resistência mecânica, especialmente amostras M-2, N-2, e 0-2.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método para produzir uma peça de compósito, o método compreendendo: - compactar uma composição de pó contendo um lubrificante formando um corpo compactado; - aquecer o corpo compactado a uma temperatura acima da temperatura de vaporização do lubrificante de modo que o lubrificante seja substancialmente removido do corpo compactado; - submeter o corpo compactado tratado termicamente obtido a um compósito polimérico líquido contendo estruturas de reforço de dimensões nanométricas ou micrométricas; e - solidificar o corpo compactado tratado termicamente contendo compósito polimérico líquido por secagem e/ou por pelo menos um tratamento de cura.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, em que a composição de pó compreende adicionalmente um pó magnético mole.

3. Método de acordo com a reivindicação 1 ou 2, em que a composição de pó contém adicionalmente um pó baseado em ferro.

4. Método de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 3, em que as partículas da composição de pó compreendem um revestimento inorgânico eletricamente isolante.

5. Método de acordo com a reivindicação 4, em que o referido lubrificante tem uma temperatura de vaporização abaixo da temperatura de decomposição do referido revestimento inorgânico eletricamente isolante.

6. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a5, em que a etapa de aquecer o corpo compactado a uma temperatura acima da temperatura de vaporização do lubrificante é efetuada em uma atmosfera não oxidante.

7. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a6, em que o método compreende adicionalmente a etapa de reduzir a pressão do corpo compactado tratado termicamente submetido a um compósito polimérico líquido durante um período de tempo.

8. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a7, em que o método compreende adicionalmente a etapa de elevar a temperatura do corpo compactado tratado termicamente submetido a um compósito polimérico líquido.

9. Método de acordo com a reivindicação 7 ou 8, em que o método compreende adicionalmente a etapa de aumentar a pressão até a pressão atmosférica ou mais alta depois de a pressão ter sido reduzida.

10. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, em que o método compreende adicionalmente a etapa de enxaguar e/ou limpar o corpo compactado tratado termicamente para remover compósito polimérico líquido em excesso.

11. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a9, em que as estruturas de reforço compreendem uma ou mais entre - partículas, - plaquetas, - fibras, - whiskers, e - tubos.

12. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a11, em que pelo menos duas dimensões das estruturas de reforço estão abaixo de 5 μιτι, como abaixo de 1 μιτι, por exemplo, abaixo de 200 nm.

13. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, em que as estruturas de reforço compreendem nanotubos de carbono, preferivelmente nanotubos de parede simples.

14. Método de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 13, em que o compósito polimérico líquido contém uma resina orgânica curável escolhida no grupo de - resina termofixa, - termoplástico, e - acrílicos anaeróbicos.

15. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 14, em que o lubrificante é escolhido no grupo de - amidas primárias; - amidas secundárias de ácidos graxos saturados ou insaturados; - alcoóis graxos saturados ou insaturados; - ceras amídicas, como etileno bis-estearamida, - e combinações dos mesmos.

16. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a .15, em que a etapa de compactar a referida composição de pó é efetuada em temperatura elevada.

17. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 to . 16, em que a etapa de aquecer o corpo compactado compreende adicionalmente uma etapa de sinterização do corpo compactado.

18. Peça de compósito incluindo uma composição de pó e um compósito polimérico contendo estruturas de reforço de dimensões nanométricas e/ou micrométricas, em que a peça de compósito forma um reticulado interpenetrante entre a composição de pó e o compósito polimérico e em que as estruturas de reforço compreendem uma ou mais entre - partículas, - plaquetas, - fibras, - whiskers, e - tubos.

19. Peça de compósito de acordo com a reivindicação 18, em que pelo menos duas dimensões das estruturas de reforço estão abaixo de 5 μιτι, como abaixo de 1 μηι, por exemplo, abaixo de 200 nm.

20. Peça de compósito de acordo com a reivindicação 18 ou reivindicação 19, em que as estruturas de reforço compreendem nanotubos de carbono, preferivelmente nonotubos.de parede simples.

21. Peça de compósito de acordo com qualquer uma das reivindicações 18 a 20, em que a composição de pó contém adicionalmente um pó magnético mole.

22. Peça de compósito de acordo com qualquer uma das reivindicações 18 a 21, em que a composição de pó contém adicionalmente um pó baseado em ferro.

23. Peça de compósito de acordo com qualquer uma das reivindicações 18 a 22, em que a peça de compósito tem resistência mecânica superior a 100 MPa em temperatura acima de 150°C.

24. Peça de compósito de acordo com qualquer uma das reivindicações 18 a 23, em que a peça de compósito tem densidade acima de 7,0 g/cm3 e TRS acima de 100 MPa a 150°C.

25. Peça de compósito produzida de acordo com o método como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 17.