Brasagem de cerâmica e metais

1. Brasabilidade

É difícil brasar componentes de cerâmica com cerâmica, ou de cerâmica com metal. A maior parte da solda forma uma esfera na superfície da cerâmica, com pouca ou nenhuma molhabilidade. O metal de adição para brasagem, mesmo que consiga molhar a cerâmica, tende a formar diversos compostos frágeis (como carbonetos, silicietos e compostos ternários ou multivariados) na interface da junta durante a brasagem. A presença desses compostos afeta as propriedades mecânicas da junta. Além disso, devido à grande diferença nos coeficientes de expansão térmica entre a cerâmica, o metal e a solda, haverá tensão residual na junta após o resfriamento da temperatura de brasagem até a temperatura ambiente, o que pode causar trincas na junta.

A molhabilidade da solda na superfície cerâmica pode ser melhorada pela adição de elementos metálicos ativos à solda comum; a brasagem em baixa temperatura e curto tempo pode reduzir o efeito da reação interfacial; a tensão térmica da junta pode ser reduzida projetando-se uma forma de junta adequada e utilizando-se uma ou múltiplas camadas metálicas como camada intermediária.

2. Soldar

A união de cerâmica e metal geralmente é feita em forno a vácuo ou em forno de hidrogênio e argônio. Além das características gerais, os metais de adição para brasagem em dispositivos eletrônicos a vácuo também devem atender a alguns requisitos especiais. Por exemplo, a solda não deve conter elementos que produzam alta pressão de vapor, para evitar vazamento dielétrico e envenenamento do cátodo dos dispositivos. Geralmente, especifica-se que, durante a operação do dispositivo, a pressão de vapor da solda não deve exceder 10⁻³ Pa e as impurezas com alta pressão de vapor não devem exceder 0,002% a 0,005%; o teor de água (w(o)) da solda não deve exceder 0,001%, para evitar que o vapor de água gerado durante a brasagem em hidrogênio cause respingos de metal de solda fundido; além disso, a solda deve ser limpa e isenta de óxidos superficiais.

Na brasagem após metalização cerâmica, podem ser utilizados metais de adição para brasagem como cobre, metais básicos, cobre-prata, cobre-ouro e outras ligas.

Para brasagem direta de cerâmicas e metais, devem ser selecionados metais de adição para brasagem contendo os elementos ativos Ti e Zr. Os metais de adição binários são principalmente TiCu e TiNi, que podem ser usados ​​a 1100 °C. Entre as soldas ternárias, AgCuTi(W)(Ti) é a mais comumente usada, podendo ser aplicada na brasagem direta de diversas cerâmicas e metais. O metal de adição ternário pode ser utilizado em forma de folha, pó ou como metal de adição eutético AgCu com pó de Ti. O metal de adição para brasagem B-Ti49Be2 possui resistência à corrosão similar à do aço inoxidável e baixa pressão de vapor. Pode ser selecionado preferencialmente em juntas seladas a vácuo, apresentando resistência à oxidação e vazamento. Na solda Ti-V-Cr, a temperatura de fusão é a mais baixa (1620 °C) quando W(V) é 30%, e a adição de Cr pode reduzir efetivamente a faixa de temperatura de fusão. A solda B-ti47.5ta5 sem Cr foi utilizada para brasagem direta de alumina e óxido de magnésio, e sua junta pode operar a uma temperatura ambiente de 1000 ℃. A Tabela 14 mostra o fluxo ativo para conexão direta entre cerâmica e metal.

Tabela 14: Metais de adição ativos para brasagem de cerâmica e metal

2. Tecnologia de brasagem

As cerâmicas pré-metalizadas podem ser brasadas em atmosfera de gás inerte de alta pureza, hidrogênio ou vácuo. A brasagem a vácuo é geralmente utilizada para a brasagem direta de cerâmicas sem metalização.

(1) Processo de brasagem universal: o processo de brasagem universal de cerâmica e metal pode ser dividido em sete processos: limpeza da superfície, revestimento da pasta, metalização da superfície cerâmica, niquelagem, brasagem e inspeção pós-soldagem.

O objetivo da limpeza superficial é remover manchas de óleo, suor e película de óxido da superfície do metal base. As peças metálicas e a solda devem ser desengorduradas primeiro, e em seguida a película de óxido deve ser removida por lavagem ácida ou alcalina, lavadas com água corrente e secas. Peças com requisitos especiais devem ser tratadas termicamente em forno a vácuo ou forno de hidrogênio (o método de bombardeio iônico também pode ser usado) em temperatura e tempo adequados para purificar a superfície. As peças limpas não devem entrar em contato com objetos engordurados ou com as mãos desprotegidas. Devem ser imediatamente encaminhadas para o próximo processo ou para a secadora. Não devem ser expostas ao ar por muito tempo. Peças cerâmicas devem ser limpas com acetona e ultrassom, lavadas com água corrente e, finalmente, fervidas duas vezes com água deionizada por 15 minutos cada vez.

A deposição de pasta é um processo importante na metalização de cerâmica. Durante a deposição, a pasta é aplicada na superfície cerâmica a ser metalizada com um pincel ou uma máquina de deposição. A espessura da camada geralmente varia de 30 a 60 mm. A pasta é geralmente preparada a partir de pó de metal puro (às vezes com adição de óxido metálico apropriado) com tamanho de partícula de cerca de 1 a 5 µm e adesivo orgânico.

As peças cerâmicas moldadas são enviadas para um forno de hidrogênio e sinterizadas com hidrogênio úmido ou amônia craqueada a 1300 ~ 1500 ℃ por 30 ~ 60 min. Para as peças cerâmicas revestidas com hidretos, estas devem ser aquecidas a cerca de 900 ℃ para decompor os hidretos e reagir com o metal puro ou titânio (ou zircônio) remanescente na superfície da cerâmica, obtendo-se assim um revestimento metálico.

Para a camada metalizada de Mo-Mn, a fim de torná-la aderente à solda, uma camada de níquel de 1,4 a 5 µm deve ser depositada por eletrodeposição ou revestida com uma camada de pó de níquel. Se a temperatura de brasagem for inferior a 1000 °C, a camada de níquel precisa ser pré-sinterizada em um forno de hidrogênio. A temperatura e o tempo de sinterização são de 1000 °C por 15 a 20 minutos.

As peças cerâmicas tratadas são componentes metálicos que devem ser montados em um todo utilizando moldes de aço inoxidável ou grafite e cerâmica. A solda deve ser aplicada nas juntas, e a peça deve ser mantida limpa durante toda a operação, não podendo ser tocada com as mãos desprotegidas.

A brasagem deve ser realizada em um forno de argônio, hidrogênio ou vácuo. A temperatura de brasagem depende do metal de adição utilizado. Para evitar trincas nas peças cerâmicas, a taxa de resfriamento não deve ser muito rápida. Além disso, a brasagem também pode ser feita aplicando-se uma certa pressão (cerca de 0,49 a 0,98 MPa).

Além da inspeção da qualidade da superfície, as soldas brasadas também devem ser submetidas a testes de choque térmico e inspeção de propriedades mecânicas. As peças de vedação para dispositivos de vácuo também devem ser submetidas a testes de estanqueidade, de acordo com as normas vigentes.

(2) Brasagem direta: na brasagem direta (método de metal ativo), primeiro limpe a superfície das peças soldadas de cerâmica e metal e, em seguida, monte-as. Para evitar trincas causadas por diferentes coeficientes de expansão térmica dos materiais dos componentes, uma camada intermediária (uma ou mais camadas de chapas metálicas) pode ser rotacionada entre as peças soldadas. O metal de adição para brasagem deve ser fixado entre as duas peças soldadas ou posicionado de forma a preencher a folga o máximo possível com o metal de adição, e então a brasagem deve ser realizada como na brasagem a vácuo convencional.

Se for utilizada solda AgCuTi para brasagem direta, deve-se adotar o método de brasagem a vácuo. Quando o grau de vácuo no forno atingir 2,7 × 10⁻³ Pa, inicie o aquecimento a 10⁻³ Pa, e a temperatura poderá subir rapidamente neste momento. Quando a temperatura estiver próxima do ponto de fusão da solda, a temperatura deverá ser elevada lentamente para que a temperatura de todas as partes da solda se iguale. Quando a solda estiver fundida, a temperatura deverá ser elevada rapidamente até a temperatura de brasagem, e o tempo de manutenção deverá ser de 3 a 5 minutos. Durante o resfriamento, a peça deverá ser resfriada lentamente até atingir 700 °C, e poderá ser resfriada naturalmente dentro do forno após essa temperatura.

Quando a solda ativa de Ti-Cu é brasada diretamente, a forma da solda pode ser folha de Cu mais pó de Ti ou peças de Cu mais folha de Ti, ou a superfície cerâmica pode ser revestida com pó de Ti mais folha de Cu. Antes da brasagem, todas as peças metálicas devem ser desgaseificadas a vácuo. A temperatura de desgaseificação do cobre isento de oxigênio deve ser de 750 a 800 °C, e Ti, Nb, Ta, etc., devem ser desgaseificados a 900 °C por 15 minutos. Nesse momento, o grau de vácuo não deve ser inferior a 6,7 ​​× 10⁻³ Pa. Durante a brasagem, os componentes a serem soldados são montados no dispositivo de fixação, aquecidos em um forno a vácuo a 900 a 1120 °C, e o tempo de manutenção é de 2 a 5 minutos. Durante todo o processo de brasagem, o grau de vácuo não deve ser inferior a 6,7 ​​× 10⁻³ Pa.

O processo de brasagem do método Ti Ni é semelhante ao do método Ti Cu e a temperatura de brasagem é de 900 ± 10 ℃.

(3) Método de brasagem por óxido: O método de brasagem por óxido é um método para obter uma conexão confiável utilizando a fase vítrea formada pela fusão da solda de óxido para infiltrar-se na cerâmica e molhar a superfície do metal. Ele pode conectar cerâmica com cerâmica e cerâmica com metais. Os metais de adição para brasagem por óxido são compostos principalmente de Al₂O₃, CaO, BaO e MgO. Adicionando B₂O₃, Y₂O₃ e Ta₂O₃, podem ser obtidos metais de adição para brasagem com vários pontos de fusão e coeficientes de expansão linear. Além disso, metais de adição para brasagem à base de fluoreto, com CaF₂ e NaF como componentes principais, também podem ser usados ​​para conectar cerâmica e metais, obtendo-se juntas com alta resistência e alta resistência térmica.