Brasagem de Cerâmica e Metais: Explicada

1. Características de Brasagem

A brasagem de cerâmica em cerâmica ou de cerâmica em componentes metálicos pode ser bastante desafiadora. A maioria dos metais de adição para brasagem formam formas esféricas na superfície cerâmica, o que leva a um molhamento fraco ou nulo.

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

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

O uso de metais de adição de brasagem ativa criados pela adição de elementos metálicos reativos a metais de adição convencionais pode melhorar a umectação em superfícies cerâmicas. O emprego de brasagem de baixa temperatura e curta duração pode reduzir o impacto das reações de interface.

Projetar configurações de junta adequadas e utilizar camadas metálicas únicas ou múltiplas como camadas intermediárias pode ajudar a minimizar o estresse térmico na junta.

Brasagem de metais de adição A brasagem de cerâmica em metais é normalmente realizada em um forno a vácuo, atmosfera de hidrogênio ou atmosfera de argônio. Os metais de adição de brasagem para vedar dispositivos eletrônicos a vácuo possuem requisitos específicos adicionais, além das características gerais.

Por exemplo, o metal de adição não deve conter elementos que gerem altas pressões de vapor para evitar problemas como vazamento dielétrico e envenenamento catódico em dispositivos. É geralmente especificado que a pressão de vapor do metal de adição durante a operação do dispositivo não deve exceder 10-3Pa, e o conteúdo de impurezas de alta pressão de vapor deve estar na faixa de 0,002% a 0,005%.

O teor de oxigênio do metal de adição (W(o)) não deve exceder 0,001% para evitar a geração de vapor de água durante a brasagem em atmosfera de hidrogênio, o que poderia causar respingos do metal de adição de brasagem fundido. Além disso, o metal de adição deve estar limpo e não deve apresentar óxidos na superfície.

Ao brasar cerâmica após a metalização, podem ser usados ​​​​metais de adição de liga de brasagem, como cobre (Cu), níquel (Ni), prata-cobre (Ag-Cu) e ouro-cobre (Au-Cu). Ao brasar cerâmica diretamente em metais, devem ser selecionados metais de adição de brasagem contendo elementos reativos, como titânio (Ti) e zircônio (Zr).

Entre os metais de adição de brasagem binária, Ti-Cu e Ti-Ni são comumente usados ​​e podem ser empregados na faixa de 1100°C. Nos metais de adição para brasagem ternária, Ag-Cu-Ti (com teor de (W)Ti inferior a 5%) é frequentemente usado para brasagem direta de várias cerâmicas em metais.

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

No sistema Ti-V-Cr, a adição de Cr reduz efetivamente a faixa de temperatura de fusão, com a temperatura de fusão mais baixa alcançada em 30% W(V). O metal de adição para brasagem B-Ti47.5Ta5, sem Cr, tem sido utilizado para brasagem direta de alumina e magnésia, permitindo que a junta opere a uma temperatura ambiente de 1000°C. Cargas de brasagem ativas para ligação direta de cerâmica a metais são mostradas na Tabela 14.

Tabela 14. Cargas de Brasagem Ativas para Brasagem de Cerâmica em Metais

2. Tecnologia de Brasagem

Cerâmicas pré-metalizadas podem ser soldadas em ambientes de gás inerte de alta pureza, hidrogênio ou vácuo. Ao brasar diretamente cerâmicas não metalizadas, geralmente recomenda-se a brasagem a vácuo.

(1) Processo Geral de Brasagem para Cerâmicas e Metais

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

A limpeza da superfície é realizada para remover manchas de óleo, marcas de suor e películas de óxido da superfície do material base. As peças metálicas e o material de brasagem devem ser desengraxados e depois tratados com ácido ou álcali para remover películas de óxido, seguido de enxágue com água corrente e secagem.

Peças de alta qualidade devem passar por tratamento térmico a temperatura e duração apropriadas em um forno a vácuo ou forno de hidrogênio (bombardeio de íons também pode ser usado) para purificar a superfície da peça.

As peças limpas não devem entrar em contato com objetos oleosos ou com as mãos desprotegidas e devem prosseguir imediatamente para o próximo processo ou ser colocadas em um secador, evitando exposição prolongada ao ar.

As peças cerâmicas devem ser limpas com acetona por meio de limpeza ultrassônica, enxaguadas com água corrente e, finalmente, fervidas duas vezes em água deionizada por 15 minutos de cada vez.

A aplicação da pasta é uma etapa crucial na metalização da cerâmica. Consiste na aplicação da pasta sobre a superfície cerâmica a ser metalizada por meio de pincel ou aplicador de pasta.

A espessura do revestimento é geralmente entre 30-60 micrômetros, e a pasta é normalmente composta de pó de metal puro com um tamanho de partícula de aproximadamente 1-5 micrômetros (às vezes com a adição de óxidos metálicos adequados) e um aglutinante orgânico.

As peças cerâmicas com pasta aplicada são então colocadas em um forno de hidrogênio e sinterizadas a uma temperatura de 1300-1500°C por 30-60 minutos usando hidrogênio úmido ou amônia craqueada. Para cerâmicas com hidretos aplicados, devem ser aquecidos a cerca de 900°C para decompor o hidreto e reagir com metal puro ou titânio residual (ou zircônio) na superfície cerâmica para obter um revestimento metálico.

No caso da camada de metalização Mo-Mn, para promover umedecimento com o material de brasagem, uma camada de níquel de 1,4-5 micrômetros de espessura é galvanizada ou revestida com pó de níquel. Se a temperatura de brasagem estiver abaixo de 1000°C, a camada de níquel também precisa passar por pré-sinterização em forno de hidrogênio 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 deve ser mantida limpa durante toda a operação, evitando-se tocá-la com as mãos desprotegidas.

A brasagem é realizada em um forno a gás argônio, a gás hidrogênio ou a vácuo. A temperatura de brasagem depende do material de brasagem e, para evitar rachaduras na cerâmica, a taxa de resfriamento não deve ser muito rápida. Além disso, certa pressão pode ser aplicada durante a brasagem (aproximadamente 0,49-0,98 MPa).

Após a brasagem, as peças soldadas devem passar por inspeção de qualidade superficial, além de testes de choque térmico e desempenho mecânico. Os componentes de vedação utilizados em dispositivos de vácuo também devem ser submetidos a testes de vazamento de acordo com os regulamentos relevantes.

(2) Brasagem Direta

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

Para evitar fissuras devido a diferentes coeficientes de expansão térmica, uma camada tampão rotativa (uma ou múltiplas chapas metálicas) pode ser colocada entre as juntas. Sempre que possível, o material de brasagem deve ser colocado entre as duas peças de trabalho ou nos espaços preenchidos com material de brasagem e depois soldado de forma semelhante à brasagem a vácuo convencional.

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

Neste ponto, o aquecimento rápido pode ser aplicado; entretanto, quando a temperatura se aproxima do ponto de fusão do material de brasagem, ele deve ser aquecido lentamente para garantir uma distribuição uniforme da temperatura em todas as partes da junta.

Assim que o material de brasagem derreter, a temperatura deve ser elevada rapidamente até a temperatura de brasagem, com um tempo de espera de 3 a 5 minutos. Durante o resfriamento, o resfriamento lento deve ser realizado antes de atingir 700°C, enquanto após 700°C o resfriamento natural pode ser permitido.

Para 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 pó de Ti pode ser aplicado à superfície cerâmica seguido pela adição de folha de Cu.

Todas as peças metálicas devem ser desgaseificadas em vácuo, sendo a temperatura de desgaseificação para cobre isento de oxigênio de 750-800°C, e para Ti, Nb, Ta, etc., a temperatura de desgaseificação deve ser de 900°C por 15 minutos. O grau de vácuo nesta fase não deve ser inferior a 6,7×10^-3Pai.

Durante a brasagem, os componentes a serem brasados ​​devem ser montados em um dispositivo elétrico e aquecidos em um forno a vácuo a uma temperatura entre 900-1120°C, com tempo de espera de 2 a 5 minutos. Durante todo o processo de brasagem, a pressão de vácuo não deve ser inferior a 6,7×10^-3Pai.

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

(3) Método de brasagem com óxido

O método de brasagem por óxido utiliza material de brasagem por óxido que forma uma fase vítrea quando derretido, permitindo que ele se infiltre na cerâmica e molhe a superfície metálica, conseguindo assim conexões confiáveis. Este método pode ser usado para unir cerâmica a cerâmica ou cerâmica a metais.

Os principais componentes dos materiais de brasagem de óxido são Al₂Ó₃CaO, BaO, MgO e a adição de B₂Ó₃Y2O3, Ta₂Ó₃etc. podem produzir materiais de brasagem com vários pontos de fusão e coeficientes de expansão linear.

Além disso, materiais de brasagem com flúor compostos principalmente de CaF₂ e o NaF também pode ser usado para unir cerâmicas e metais, proporcionando juntas de alta resistência e resistentes ao calor.