Brasagem de cerâmicas e metais: Explicação

1. Características de brasagem

A brasagem de cerâmica em cerâmica ou de cerâmica em componentes metálicos pode ser um grande desafio. A maioria dos metais de enchimento para brasagem formam formas esféricas na superfície da cerâmica, o que leva a uma humidificação fraca ou nula.

Os metais de adição para brasagem que podem molhar a cerâmica tendem a formar vários compostos frágeis na interface da junta (tais como carbonetos, silicetos e compostos ternários ou multicomponentes), que afectam as propriedades mecânicas da junta.

Além disso, devido às diferenças significativas nos coeficientes de expansão térmica entre cerâmicas, metais e metais de adição para brasagem, tensão residual pode existir na junta após o arrefecimento da temperatura de brasagem até à temperatura ambiente, podendo levar à fissuração da junta.

A utilização de metais de adição activos para brasagem, criados através da adição de elementos metálicos reactivos a metais de adição convencionais, pode melhorar a humidade em superfícies cerâmicas. A utilização de brasagem a baixa temperatura e de curta duração pode reduzir o impacto das reacções de interface.

A conceção de configurações de juntas adequadas e a utilização de camadas metálicas simples ou múltiplas como camadas intermédias podem ajudar a minimizar o stress térmico na junta.

Brasagem de metais de adição A brasagem de cerâmicas a metais é normalmente realizada num forno de vácuo, atmosfera de hidrogénio ou atmosfera de árgon. Os metais de adição para a brasagem de dispositivos electrónicos de vácuo têm requisitos específicos adicionais, para além das características gerais.

Por exemplo, o metal de adição não deve conter elementos que gerem pressões de vapor elevadas para evitar problemas como fugas dieléctricas e envenenamento do cátodo nos dispositivos. É geralmente especificado que a pressão de vapor do metal de enchimento durante o funcionamento do dispositivo não deve exceder 10-3Pa, e o conteúdo de impurezas de alta pressão de vapor deve estar entre 0,002% e 0,005%.

O teor de oxigénio do metal de adição (W(o)) não deve exceder 0,001% para evitar a geração de vapor de água durante a brasagem numa atmosfera de hidrogénio, o que poderia causar salpicos do metal de adição de brasagem fundido. Além disso, o metal de adição deve estar limpo e não deve ter quaisquer óxidos superficiais.

Na brasagem de cerâmicas após metalização, podem ser utilizados metais de adição de ligas para brasagem, tais como cobre (Cu), níquel (Ni), prata-cobre (Ag-Cu) e ouro-cobre (Au-Cu). Na brasagem direta de cerâmicas a metais, podem ser utilizados metais de adição de brasagem que contenham elementos reactivos, tais como titânio (Ti) e zircónio (Zr).

Entre os metais de enchimento de brasagem binários, Ti-Cu e Ti-Ni são comumente usados e podem ser empregados na faixa de 1100 ℃. Nos metais de enchimento de brasagem ternários, Ag-Cu-Ti (com teor de (W) Ti inferior a 5%) é frequentemente usado para brasagem direta de várias cerâmicas a metais.

Este sistema ternário pode ser utilizado com folha, pó ou metal de adição eutéctico Ag-Cu combinado com pó de Ti. O metal de adição para brasagem B-Ti49Be2 apresenta uma resistência à corrosão semelhante à do aço inoxidável e tem uma pressão de vapor mais baixa, o que o torna uma escolha preferível para juntas seladas a vácuo que requerem oxidação e prevenção de fugas.

No sistema Ti-V-Cr, a adição de Cr reduz efetivamente a gama de temperaturas de fusão, sendo a temperatura de fusão mais baixa atingida a 30% W(V). O metal de enchimento de brasagem B-Ti47.5Ta5, sem Cr, foi usado para brasagem direta de alumina e magnésia, permitindo que a junta opere a uma temperatura ambiente de 1000 ℃. Os enchimentos de brasagem ativos para a ligação direta de cerâmicas a metais são mostrados na Tabela 14.

Tabela 14. Cargas activas de brasagem para brasagem de cerâmica a metais

2. Tecnologia de brasagem

As cerâmicas pré-metalizadas podem ser soldadas em ambientes de gás inerte de alta pureza, hidrogénio ou vácuo. Quando se procede à brasagem direta de cerâmicas não metalizadas, recomenda-se geralmente a brasagem em vácuo.

(1) Generalidades Processo de brasagem para cerâmica e metais

(1) O processo geral de brasagem de cerâmicas e metais pode ser dividido em sete etapas: limpeza da superfície, aplicação de pasta, metalização de superfícies cerâmicas, niquelagem, brasagem e inspeção pós-brasagem.

A limpeza da superfície é efectuada para remover manchas de óleo, marcas de suor e películas de óxido da superfície do material de base. As peças metálicas e o material de brasagem devem ser desengordurados e, em seguida, tratados com ácido ou alcalino para remover as películas de óxido, seguidos de enxaguamento com água corrente e secagem.

As peças de alta qualidade devem ser submetidas a um tratamento térmico a uma temperatura e duração adequadas num forno de vácuo ou num forno de hidrogénio (também pode ser utilizado o bombardeamento de iões) para purificar a superfície da peça.

As peças limpas não devem entrar em contacto com objectos oleosos ou com as mãos desprotegidas e devem passar imediatamente ao processo seguinte ou ser colocadas num dispositivo de secagem, evitando uma exposição prolongada ao ar.

As peças de cerâmica devem ser limpas com acetona utilizando a limpeza por ultra-sons, enxaguadas com água corrente e, finalmente, fervidas duas vezes em água desionizada durante 15 minutos de cada vez.

A aplicação da pasta é um passo crucial na metalização de cerâmica. Envolve a aplicação da pasta na superfície cerâmica a ser metalizada, utilizando um pincel ou um aplicador de pasta.

A espessura do revestimento é geralmente entre 30-60 micrómetros, e a pasta é tipicamente composta por pó metálico puro com um tamanho de partícula de aproximadamente 1-5 micrómetros (por vezes com a adição de óxidos metálicos adequados) e um ligante orgânico.

As peças cerâmicas com pasta aplicada são então colocadas num forno a hidrogénio e sinterizadas a uma temperatura de 1300-1500°C durante 30-60 minutos, utilizando hidrogénio húmido ou amoníaco de craqueamento. Para as cerâmicas com hidretos aplicados, devem ser aquecidas a cerca de 900°C para decompor o hidreto e reagir com metal puro ou titânio residual (ou zircónio) na superfície da cerâmica para obter um revestimento metálico.

No caso da camada de metalização Mo-Mn, para promover a molhagem com o material de brasagem, uma camada de níquel de 1,4-5 micrómetros de espessura é galvanizada ou revestida com pó de níquel. Se o temperatura de brasagem é inferior a 1000°C, a camada de níquel também tem de ser submetida a uma pré-sinterização num forno a hidrogénio a uma temperatura e tempo de 1000°C/15-20 minutos.

As cerâmicas tratadas são tratadas como peças metálicas e montadas com moldes de aço inoxidável, grafite ou cerâmica para formar um todo. O material de brasagem é aplicado na junta, e a peça de trabalho deve ser mantida limpa durante toda a operação, evitando o contacto com as mãos desprotegidas.

A brasagem é realizada num forno de gás árgon, de gás hidrogénio ou de vácuo. A temperatura de brasagem depende do material de brasagem e, para evitar fissuras na cerâmica, a taxa de arrefecimento não deve ser demasiado rápida. Além disso, pode ser aplicada uma certa pressão durante a brasagem (aproximadamente 0,49-0,98MPa).

Após a brasagem, as peças soldadas devem ser submetidas a uma inspeção da qualidade da superfície, bem como a testes de choque térmico e de desempenho mecânico. Os componentes de vedação utilizados em dispositivos de vácuo também devem ser submetidos a testes de estanquidade, de acordo com os regulamentos relevantes.

(2) Brasagem direta

Durante a brasagem direta (método do metal ativo), as peças de cerâmica e de metal a serem soldadas são primeiro sujeitas a uma limpeza da superfície e depois montadas.

Para evitar fissuras devido a diferentes coeficientes de dilatação térmica, uma camada tampão rotativa (uma ou várias chapas metálicas) pode ser colocado entre as juntas. Sempre que possível, o material de brasagem deve ser colocado entre as duas peças de trabalho ou nas lacunas preenchidas com material de brasagem e, em seguida, brasado de forma semelhante à brasagem a vácuo convencional.

Quando se utiliza material de brasagem Ag-Cu-Ti para brasagem direta, deve ser utilizado o método de brasagem a vácuo. O aquecimento deve começar quando o grau de vácuo no forno atingir 2,7×10-3Pa.

Nesta altura, pode ser aplicado um aquecimento rápido; no entanto, quando a temperatura se aproximar do ponto de fusão do material de brasagem, este deve ser aquecido lentamente para garantir uma distribuição uniforme da temperatura em todas as partes da junta.

Após a fusão do material de brasagem, a temperatura deve ser rapidamente aumentada para a temperatura de brasagem, com um tempo de espera de 3-5 minutos. Durante o arrefecimento, deve ser efectuado um arrefecimento lento antes de atingir 700°C, enquanto que após 700°C, pode ser permitido um arrefecimento natural.

Para a brasagem direta com material de brasagem ativo Ti-Cu, o material de brasagem pode assumir a forma de folha de Cu com pó de Ti ou componente de Cu com folha de Ti, ou o pó de Ti pode ser aplicado à superfície cerâmica seguido da adição de folha de Cu.

Todas as peças metálicas devem ser desgaseificadas no vácuo, sendo a temperatura de desgaseificação para o cobre sem oxigénio de 750-800°C, e para Ti, Nb, Ta, etc., a temperatura de desgaseificação deve ser de 900°C durante 15 minutos. O grau de vácuo nesta fase não deve ser inferior a 6,7×10^-3Pa.

Durante a brasagem, os componentes a soldar devem ser montados num suporte e aquecidos num forno de vácuo a uma temperatura entre 900-1120°C, com um tempo de espera de 2-5 minutos. Durante todo o processo de brasagem, a pressão de vácuo não deve ser inferior a 6,7×10^-3Pa.

O processo de brasagem utilizando o método Ti-Ni é semelhante ao método Ti-Cu, sendo a temperatura de brasagem de 900±10°C.

(3) Método de brasagem por óxido

O método de brasagem por óxido utiliza material de brasagem por óxido que forma uma fase vítrea quando fundido, permitindo-lhe infiltrar-se na cerâmica e molhar a superfície do metal, conseguindo assim ligações fiáveis. Este método pode ser utilizado para unir cerâmica a cerâmica ou cerâmica a metal.

Os principais componentes dos materiais de óxido para brasagem são o Al₂O₃CaO, BaO, MgO, e a adição de B₂O₃, Y2O3, Ta₂O₃etc., podem produzir materiais de brasagem com vários pontos de fusão e coeficientes de expansão linear.

Além disso, os materiais de brasagem com flúor compostos principalmente por CaF₂ e NaF podem também ser utilizados para unir cerâmicas e metais, proporcionando juntas de elevada resistência e resistentes ao calor.