ITUD950020A1

ITUD950020A1 - Procedimento e dispositivo per la realizzazione di materiali composti per l'industria con matrice di metallo

Info

Publication number: ITUD950020A1
Application number: IT000020A
Authority: IT
Inventors: Theodore Schmitt
Original assignee: Electrovac
Priority date: 1994-02-10
Filing date: 1995-02-10
Publication date: 1996-08-10
Also published as: FR2715881A1; ITUD950020A0; GB2287205B; ATA25894A; FR2715881B1; AT406837B; DE19503464B4; GB9502464D0; GB2287205A; DE19503464A1; IT1280127B1; US5787960A; CH689012A5

Description

Descrizione di brevetto per invenzione industriale

Titolo:

PROCEDIMENTO E DISPOSITIVO PER LA REALIZZAZIONE MATERIALI COMPOSTI PER L'INDUSTRIA CON MATRICE DI METALLO

DESCRIZIONE

L'oggetto della presente invenzione è un procedimento per la produzione di materiali composti per l'industria con matrice di metallo, nonché un dispositivo per l'attuazione del procedimento.

I materiali composti con matrice di metallo (composti con matrice di metallo MMC) sono materiali nei quali si trovano un materiale di rinforzo non metallico ed un metallo, in diverse proporzioni di quantità, incassati l'uno dentro l'altro. Il materiale di rinforzo può essere circondato con metallo in forma di particelle, di fibre o di corpi porosi, oppure può avere infiltrazioni di metallo. Dalla scelta del modello, della forma, della quantità e della porosità del materiale di rinforzo, nonché del tipo di metalli di infiltrazione, si possono variare le caratteristiche meccaniche, elettriche e termiche dei materiali da lavoro risultanti, in maniera corrispondente ai requisiti.

Una specie conosciuta di materiali MMC risulta tramite l'infiltrazione di un corpo poroso fatto di materiale di rinforzo con il metallo in massa fusa. Per lo più, gli oggetti desiderati vengono prodotti da materiale MMC, direttamente nella configurazione dei corpi desiderati per la formatura. Le forme preliminari vengono di conseguenza messe dapprima sottovuoto, e successivamente, ad una temperatura maggiorata, vengono infiltrate con alimentazione di pressione con il metallo in massa fusa. Il raffreddamento avviene sempre sotto pressione, poiché il materiale di rinforzo viene di regola bagnato male dal metallo, ed il metallo ancora fluido sgorgherebbe di nuovo dalla forma preliminare, senza l'effetto della pressione, nel raffreddamento.

É comune effettuare questo procedimento in un unico dispositivo. Questo deve essere di conseguenza sia pressurizzato che resistente alla compressione. La depressione disposta nel trattamento a vuoto si trova di regola nell'ordine di grandezza da 0,1 mbar fino a 0,01 mbar. La pressione del gas durante il procedimento di infiltrazione può ammontare a più di 100 MPa. La differenza di pressione, a cui è quindi esposto il dispositivo, è pertanto notevole. Addizionalmente a ciò, il contenitore deve essere dotato di un dispositivo di riscaldamento, per raggiungere le temperature di fusione necessarie dei metalli impiegati.

Dispositivi multifunzionali di questo tipo sono dispendiosi nella produzione, molto costosi e soggetti a guasti. Le spese di produzione dei materiali MMC sono pertanto estremamente alte.

Si è a questo punto rilevato in maniera sorprendente, e questo è anche l'oggetto della presente invenzione, il fatto che il materiale di rinforzo può essere infiltrato nella configurazione di una forma preliminare senza un precedente trattamento a vuoto, tramite l'alimentazione della sola pressione gassosa con il metallo fuso, dopodiché II composto risultante viene lasciato raffreddare come nel procedimento precedente, sotto pressione.

I vantaggi di un tale procedimento sono notevoli. Viene a mancare tutto rimpianto a vuoto, ed il procedimento avviene di nuovo in uno stadio solo.

Secondo una forma d'esecuzione dell'invenzione, per il ricevimento della forma preliminare viene utilizzato un supporto di materiale poroso, il quale accoglie, durante il trattamento di pressione, il gas allontanato dalla forma preliminare attraverso l'infiltrazione di metallo.

A tal fine possono essere utilizzati supporti di grafite o di ceramica porosa. É noto tuttavia il fatto che supporti di questo tipo per le forme preliminari sono per lo più utilizzabili una volta sola.

In un'altra forma d'esecuzione dell'invenzione, per il ricevimento della forma preliminare, può essere utilizzato un supporto di acciaio o di ceramica a tenuta di gas, come per esempio titanato di alluminio, in cui il supporto dispone eventualmente di parti fatte di un materiale poroso. Il vantaggio particolare di supporti di questo tipo di forme preliminari si trova nella loro riutilizzabilità. L'acciaio ed il titanato di alluminio non sono porosi, ed i! gas contenuto originariamente nella forma preliminari rimane contenuto nella stessa. Si può tuttavia calcolare, con l'aiil rtì dell'equazione per la legge ideale dei gas (pV =nRT), il fatto che il volum del gas incluso nella forma preliminare in questa variante del procedimento non ammonta, a causa della pressioni inserite nel procedimento e delle temperature, nel prodotto finale, nemmeno allo 0,5 % del volume totale. É quindi piuttosto trascurabile, in maniera particolare perché i pezzi in lavorazione prodotti sono esposti difficilmente ad una forte sollecitazione meccanica, come trazione, pressione o piegatura. Per il caso in cui, ciò nonostante, per esempio a causa di una omogeneità maggiorata, si desidera un volume di gas molto piccolo, possono essere previste parti di supporto fatte di materiale poroso per l'accoglimento del gas.

Nel dettaglio, questo calcolo può essere riprodotto in base ai seguenti valori esemplari:

- grandezza della forma preliminare: 2,54 x 2,54 cm, spessore 0,1 cm; - porosità della forma preliminare: 30 Voi;

- temperatura di infiltrazione: 700°C

- pressione di infiltrazione: 70 bar;

Con l'uso dei parametri menzionati in alto si ottiene, al termine del procedimento, per la piastrina indicata a titolo di esempio, il cui volume ammonta a circa 645 rnrn^, un volume di gas residuo di 2,81 mrrA Questo corrisponde circa allo 0,43 % del volume della piastrina, o ad un cubo con una lunghezza dei bordi di 1,41 mm, oppure ad una sfera con un diametro di 1 ,75 mm.

Le pressioni impiegate nei procedimenti di infiltrazione si trovano/ generalmente nell'ambito da 60 bar fino a 140 bar, preferibilmente da bar fino a 80 bar. La pressione menzionata in alto è preferirai particolarmente a circa 70 bar.

A seconda del metallo utilizzato, viene scelta la temperatura di infiltrazione. Questo ammonta, per esempio nell'alluminio, a circa 800°C.

Per l'attuazione del procedimento conforme all'invenzione viene utilizzata preferìbilmente una forma preliminare con una porosità di 10 Voi.- % fino a 30 Vol.-%. In casi speciali viene impiegata una forma preliminare con una porosità da 20 Voi.- % fino a 25 Voi.- %.

Secondo una forma d'esecuzione preferita di questo procedimento, si può lavorare con l'irrigazione con un gas inerte, preferibilmente con un gas nobile.

Il procedimento conforme all'invenzione si presta in maniera particolare per le forme preliminari, che sostanzialmente sono costituite da particelle di carburo di silicio, di nitruro di alluminio, di nitruro di silicio, carburo di boro o di carbonio, oppure di fibre di ceramica.

Come metallo di infiltrazione viene utilizzato preferibilmente un metallo dal gruppo alluminio, magnesio, rame, silicio, ferro o leghe dello stesso .

In base al disegno allegato, il procedimento a questo punto conforme all'invenzione, nonché i dispositivi conformi all'invenzione, viene descritto in modo più dettagliato:

La Figura 1a illustra un dispositivo completo 1 , che viene utilizzato per la produzione dei corpi di formatura MMC. All'interno del dispositivo 1 si trova un supporto di formatura preliminare 2 per il ricevimento della forma preliminare 3. La forma preliminare 3 è costituita dal materiale di i rinforzo, disposto in modo desiderato. La totalità di questa disposizione è alloggiata in un crogiolo 6. Il dispositivo I può essere chiuso con l'aiuto del coperchio 7, in modo che la pressione può essere applicata da una sorgente di pressione 10 al dispositivo. Sui bordi del sostegno di formatura preliminare 2 si trova un blocco od alimentatore 4, fatto di metallo da fondere. Sotto l'influsso del riscaldamento 5 il metallo viene fuso, e sotto pressione viene inserito con forza nella forma preliminare; quindi il riscaldamento 5 viene disinserito, ed il metallo sotto pressione viene lasciato solidificare.

La Figura 1b presenta una elaborazione alternativa del dispositivo secondo la Figura 1a, in cui viene omesso il riscaldamento. Qui il metallo 11 , fuso in un altro punto, viene versato sulla forma preliminare 3, quindi il coperchio 7 viene chiuso, l'interno del dispositivo viene alimentato con pressione per mezzo della sorgente di pressione 10, e con ciò il metallo fluido viene pressato nella forma preliminare, ed il metallo viene lasciato solidificare.

La Figura 2a rappresenta un dettaglio all'interno del dispositivo I della Figura I, in un'altra forma d'esecuzione. Per parti equivalenti sono stati scelti gli stessi contrassegni.

In un supporto 2 per la forma preliminare è impiegata di nuovo ia forma preliminare 3. Sul supporto della forma preliminare 2 si trova una copertura 8 con trapanature 9, su cui è messo, dalla sua parte, l'alimentatore 4. Il crogiolo 6 circonda il supporto per la forma preliminare 2 con i suoi inserimenti e le sue applicazioni. Sotto l'effetto del riscaldamento 5 il metallo di alimentazione fonde, perviene attraverso le aperture 9 alla forma preliminare 3, ed infiltra il materiale di rinforzo con l'alimentazione di pressione attraverso la sorgente di pressione 10, con il coperchio chiuso 7.

La Figura 2b illustra una forma d'esecuzione alternativa alla Figura 2a, in cui si lavora senza il riscaldamento. Il metallo 11 fuso in un altro punto viene versato sulla copertura, quindi il coperchio 7 viene chiuso e con l'alimentazione di pressione per mezzo della sorgente di pressione 10 il metallo fluido viene pressato nella forma preliminare, ed il metallo viene lasciato solidificare.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per la produzione di materiali composti per l'industria con ' matrice di metallo, in cui un materiale di rinforzo, nella configurazione di una forma preliminare, con metallo in massa fusa, senza trattamento a vuoto precedente della forma preliminare, viene infiltrato solamente tramite alimentazione della pressione gassosa, e viene lasciato solidificare sotto pressione.
2. Procedimento secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che per il ricevimento della forma preliminare viene utilizzato un supporto fatto di materiale poroso, il quale, durante il trattamento di pressione, accoglie il gas allontanato dalla forma preliminare attraverso l'infiltrazione di metallo.
3. Procedimento secondo la rivendicazione I o 2, caratterizzato dal fatto che per il ricevimento delia forma preliminare viene utilizzato un supporto di grafite o di ceramica porosa.
4. Procedimento secondo la rivendicazione I, caratterizzato dal fatto che per il ricevimento della forma preliminare viene utilizzato un supporto di acciaio o di ceramica a tenuta di gas, come per esempio titanato di alluminio, in cui il supporto presenta eventualmente parti fatte di un materiale poroso.
5. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da I fino a 4, caratterizzato dal fatto che le infiltrazioni avvengono ad una pressione da 60 bar fino a 140 bar, preferibilmente da 60 bar fino a 80 bar, in maniera particolare a circa 70 bar.
6. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 fino a 5, caratterizzato dai fatto che viene utilizzata una forma preliminare con una porosità da 10 Voi.- % fino a 30 Vol.-%, preferibilmente da circa 20 Vol.-% fino a 25 Vol.-%.
7. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 fino a 6, caratterizzato dal fatto che si lavora con ravvolgimento di un gas inerte, preferibilmente di un gas nobile.
8. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 fino a 7, caratterizzato dal fatto che viene utilizzata una forma preliminare fatta sostanzialmente di particelle di carburo di silicio, di nitruro di alluminio, di nitruro di silicio, carburo di boro o di carbonio oppure di fibre di ceramica.
9. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 fino a 8, caratterizzato dal fatto che come metallo di infiltrazione viene utilizzato un metallo dal gruppo alluminio, magnesio, rame, silicio, ferro o leghe dello stesso.
10. Dispositivo per l'attuazione del procedimento, secondo una delle rivendicazioni da 1 fino a 9, caratterizzato dal f atto che in un recipiente a pressione (1), alimentabile con una sorgente di pressione (10), viene disposta una orma preliminare (3) alimentabile con metallo fluido (11), disposta in un supporto per la forma preliminare (2).
11. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che una fonte di riscaldamento (5) è disposta nel recipiente a pressione ( I )
12. Dispositivo secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che sulla forma preliminare (2) è disposta una copertura (8).