Avaliação das propriedades mecânicas de juntas cerâmicas usando fitas amorfas como metal de adição

Evaluation of the mechanical properties of ceramic joint using amorphous ribbons as filler metals

ARTIGOS TÉCNICOS

Avaliação das propriedades mecânicas de juntas cerâmicas usando fitas amorfas como metal de adição

Evaluation of the mechanical properties of ceramic joint using amorphous ribbons as filler metals

Danielton Gomes dos Santos^I; Emanuel Pereira Soares^I; Mary Roberta Meira Marinho^I; Theophilo Moura Maciel^I; Walman Benício de Castro^I; Clodomiro Alves Júnior^II

^IUniversidade Federal de Campina Grande, Departamento de Engenharia Mecânica, Laboratório de Soldagem, Paraíba, Campina Grande, [e-mail]

^IIUniversidade Federal do Rio Grande do Norte, Departamento de Eng. Mecânica,Laboratório de Plasma

RESUMO

Este trabalho teve como objetivo determinar os melhores parâmetros para brasagem de juntas cerâmicas de Al₂O₃ pré-metalizadas com Ti por processo a plasma utilizando fitas amorfas de ligas Cu₄₉Ag₄₅C_x e como metal de adição. As ligas foram preparadas em forno a arco, e, posteriormente processadas por melt-spinning, variando conteúdo Ce de 4-6. %. A brasagem foi realizada em forno à vácuo e as seguintes variáveis analisadas: tempo de deposição do filme de Ti e temperatura e tempo de brasagem , que foram relacionados com a resistência à flexão em 3 pontos da junta brazada. A equação de regressão linear foi obtida, e verificou-se a interação entre estes fatores. As superfícies cerâmicas metalizadas apresentaram excelente uniformidade e as juntas brasadas muito boa adesão atingindo valores de resistência à flexão de até 176,8 MPa.

Palavras-chave: Brasagem de Al₂O₃, Fitas amorfas; Resistência à flexão; metalização por plasma

ABSTRACT

This work had as objective to establish de best brazing parameter to joint Al₂O₃ pre-metalized with Ti by plasma process using amorphous ribbons of Cu₄₉g₄₅Ce_x alloys as filler metals. The alloys were prepared in arc furnace and processed by melt-spinning process varying the Ce percentiles from 4 to 6. % . The brazing was accomplished in vacuum furnace and the following variables analyzed: deposition time of Ti film, brazing temperature and brazing times which were related to the brazed joint 3-point bending resistance. The interaction between those factors was obtained by linear regression equation. The metalized ceramic surfaces presented an good uniformity and the joint a very good adhesion reaching bending resistance up to 176,8 MPa.

Keywords: Al₂O₃ brazing; Amorphous ribbons; Bending resistance; plasma metallization

1. Introdução

A aplicação de cerâmicas e compósitos é de interesse industrial, principalmente para altas temperaturas de trabalho e condições químicas severas, voltando o interesse de pesquisadores e da indústria, sobretudo a indústria eletro-eletrônica e aeroespacial, para uso destes materiais. A reduzida tenacidade das cerâmicas associada com a dificuldade de se fabricar componentes de grande dimensão e com geometria complexa, representa um limite na sua utilização na maior parte das aplicações com finalidade estrutural [1]. A necessidade de tecnologias de união surgiu como resultado de maior uso de cerâmicas junto com outros materiais. São requeridas freqüentemente cerâmicas de formas tão complexas que só podem ser produzidas unindo formas menos complexas [2]. Desta forma, tem havido um largo interesse em uniões cerâmicacerâmica. E, dentre as técnicas mais apropriadas para união de cerâmica está a brasagem [3]. A brasagem é um dos processos de união de cerâmicas mais amplamente utilizados e isso pode ser atribuído à possibilidade de se evitar fusão dos materiais de base, de permitir a união de materiais dissimilares, além de outras vantagens como boa resistência mecânica, resistência à temperatura elevada e possibilidade de produção em série com custo reduzido. Entretanto, no desenvolvimento de um processo de brasagem, enfrentam-se problemas relacionados às diferenças nas propriedades dos materiais envolvidos, neste caso, a cerâmica e o metal. Pronunciadas diferenças nas propriedades físicas, mecânicas e na estrutura cristalina dos dois materiais devem ter atenção especial no projeto da união. Na união brasada cerâmica-cerâmica uma questão amplamente estudada é o percentual de metal ativo presente na liga de metal de adição, quando se trata da brasagem direta, ou na camada de metalização, quando se trata da brasagem indireta. Isto porque o metal ativo, em quantidades insuficientes, pode não permitir o molhamento da cerâmica prejudicando a união. Por outro lado, quantidades de metal ativo em excesso pode levar ao aumento da fragilidade da junta pela formação de compostos intermetálicos e óxidos [4,5]. No caso da brasagem indireta, a metalização permite o molhamento do substrato cerâmico sem a necessidade de introdução de metal ativo na liga do metal de adição reduzindo o custo do processo.

A literatura técnica tem utilizado uma larga faixa de formulações de ligas para brasagem de Al₂O₃ com metal ativo. Dentre as ligas de brasagem com teores de Ti variando de 4 a 10%, uma das mais estudadas é a liga eutética Ag-₂₈Cu com adição de mais de 10 % de Ti [3]. Para a união de cerâmicas óxidas com brasagem direta essas ligas Ag-Cu com adição de Ti têm sido eficientes. Entretanto, valores altos de Ti sob um vácuo deficiente resulta em juntas frágeis pela afinidade do Ti ao oxigênio, que em excesso, converte-se em parte em um constituinte frágil, deixando pouco elemento metálico para a brasagem ativa [5]. Para obtenção de ligas Ag-Cu com estruturas amorfas torna-se necessário uma altíssima velocidade de resfriamento. Entretanto, esta velocidade pode ser significativamente reduzida ao se utilizar elementos como o Ce que induz a amorfização da liga. Estas ligas de brasagem são principalmente produzidas por laminação na forma de fitas ou fios. Sua produção, entretanto, necessita de muitas operações tecnológicas caras. Por uma única operação utilizando a técnica de solidificação rápida é possível preparar fitas amorfas de excelentes qualidades para brasagem [6]. A mais importante vantagem das fitas amorfas e micro-cristalinas é sua flexibilidade e espessura, não havendo necessidade de grandes folgas de brasagem, como aquelas usadas com metal de adição em pó (pastas), para alcançar um completo preenchimento da seção da brasagem [7]. O presente trabalho se propõe a contribuir nesta área pela proposição de novo material de adição, em forma de fita amorfa, introduzindo o processo de pré-metalização da superfície com metal ativo, Ti, pela aplicação da técnica de sputtering utilizando a descarga em cátodo oco, contribuindo para a produção e uso de juntas de boa qualidade possibilitando a ampliação do uso das mesmas em funções estruturais com maior confiabilidade.

2. Materiais e Métodos

Como material de base foram utilizadas amostras de alumina de pureza (> 99,8 %) pré-metalizadas com Ti por processo de deposição de filmes finos à plasma pela técnica de descarga em cátodo oco. Executado em equipamento desenvolvido na Universidade Federal do Rio Grande do Norte, UFRN, no Laboratório de Plasma do Departamento de Engenharia Mecânica, LabPlasma.

A opção pela adição de Ti por metalização foi pra facilitar a obtenção da fita amorfa por processo "melt-spinning" e para avaliar a técnica de metalização por catodo oco no processo de brasagem.

Com o objetivo de se obter fitas de metal solidificadas rapidamente com estrutura amorfa foram elaboradas ligas Cu_51-xAg₄₅Ce_x variando o conteúdo de Cério nas porcentagem apresentadas à seguir: Liga 4% Ce: Cu₅₁Ag₄₅Ce₄; Liga 5% Ce: Cu₅₀Ag₄₅Ce₅; e Liga 6% Ce: Cu₄₉Ag₄₅Ce₆ As ligas foram inicialmente fundidas em forno a arco voltaico com atmosfera de argônio,e posteriormente processadas na forma de fitas pelo método de solidificação rápida utilizando o processo melt-spinning. Neste processo a liga fundida é vazada sobre uma roda de cobre refrigerada girando a uma altíssima velocidade, suficiente para gerar uma estrutura não cristalina. A solidificação ocorre em intervalos de milisegundos e a velocidade com a fita é expulsa da roda alcança cerca de 2 km/min.

A única dessas ligas em que se conseguiu amorfização total foi a liga Cu₄₉Ag₄₅Ce₆, sendo esta portanto, a que foi utilizada como metal de adição no processo de brasagem.

As amostras de substrato cerâmico utilizadas apresentaram a seguinte configuração geométrica: diâmetro de 5,00 mm com 10 mm de comprimento.

Antes de se posicionar as fitas entre as superfícies cerâmicas estas foram previamente preparadas para o processo de metalização através procedimentos de limpeza padrão, ou seja, imersão em acetona pura com agitação ultra-sônica por 10 minutos e em seguida metalizadas com filme fino de titânio utilizando-se a deposição por plasma pelo processo de cátodo oco. Neste processo um tarugo cilíndrico de aço inox é engastado num cilindro oco de Ti com um furo passante para a passagem do gás do plasma o qual é depositado na superfície da amostra cerâmica promovendo a metalização. Para variar a espessura do filme depositado mantiveram-se fixos os parâmetros do plasma: corrente, pressão de trabalho, fluxo de gás argônio, distância do cátodo e ângulo de deposição e variou-se o tempo de deposição. As medições da espessura dos filmes foram realizadas por microscopia eletrônica de varredura, em amostras de vidro. Procurou-se tomar medidas sempre na região mais central das amostras em vidro para reproduzir valores médios de espessura da camada na amostra de alumina. Foram realizadas cinco medidas de cada uma das camadas sendo calculada a média em microns.

Finalmente as fitas foram posicionadas entre as superfícies cerâmicas pré-metalizadas em um suporte de aço ferramenta especialmente projetadas para este fim e apresentado na Figura 1. Não foi aplicada pressão sobre as peças; os parafusos do suporte foram apertados somente até encostar as peças mantendo-as no lugar e bem alinhados. Em seguida o conjunto foi inserido num forno a vácuo para a brasagem, sendo que para se obter a temperatura de brasagem foram realizados ensaios de DSC (Differential Scanning Calorimetry) . Para a obtenção do vácuo foram utilizados os sistemas de bombas, mecânica e difusora, integrante do próprio forno atingindo um vácuo de 5 x 10 ^-4 bar para evitar oxidação do Ti.

A caracterização da resistência mecânica das juntas foi executada através de ensaio de flexão em três pontos, utilizando uma máquina universal de ensaios Karl Schröder KG, Material prüfmaschine, modelo D-6940, com velocidade de avanço do pistão de 0,1 mm/min. O dispositivo para execução do ensaio foi projetado com o intuito de minimizar as tensões de contato suporte/amostra e os erros inerentes aos desalinhamentos do sistema, garantindo uma distância entre apoios de 10 mm. Na Figura 2 é apresentado o desenho esquemático apresentando a configuração dos apoios nos corpos de prova para a aplicação da carga de flexão.

A tensão de ruptura foi definida como a tensão máxima trativa que a superfície inferior da amostra estava submetida no momento da ruptura, sendo calculada a partir do valor da carga de ruptura fornecido pela máquina e dos parâmetros geométricos do corpo de prova e do ensaio, utilizando a equação 1.

Onde, σ_flexão= Resistência à Flexão (MPa); P = Carga de Ruptura (N); L = Distância entre os apoios (m) e d = Diâmetro do corpo de prova (m). A figura 3 apresenta a seqüência de todas as etapas utilizadas no processo.

A caracterização microestrutural das juntas brasadas, foi executada em microscópio eletrônico de varredura SSX-550 Shimadzu. Foram utilizados na captura das imagens, ambos os detectores de elétrons, secundário e retroespelhados, utilizandose 20kV de tensão.

Para avaliar a influência dos parâmetros da brasagem na microestrutural e resistência mecânica das juntas realizou-se o planejamento fatorial. O objetivo do planejamento fatorial, e posterior análise de superfície de resposta, foi analisar o menor número de experimentos, reduzindo custos e tempo, além de determinar a influência significativa ou não das variáveis de entrada sobre a(s) resposta(s), quantificando os efeitos destas variáveis para a otimização do processo. Neste trabalho foi utilizado o programa Statistica, versão 5.0.

3. Resultados e Discussões

Os valores médios das espessuras das camadas metalizadas variaram de 0,48 a 1,70 µm para tempos de deposição de 60 a 120 minutos. As Figuras 4 e 5 apresentam imagens via MEV de filmes depositado com tempo de 120 minutos. A taxa de deposição média ficou em torno de 2,42 x 10^-4 µm/s.

A Tabela 01 apresenta a composição química das camadas de metalização obtida por EDX (Energy-dispersive X-ray spectroscopy), mostrando a presença do titânio sobre a alumina.

O resultado da análise química indicou a presença do titânio em quantidades suficientes para o molhamento da alumina no processo de brasagem. As fitas obtidas por melt-spinning apresentaram características macroscópicas diferentes para diferentes teores de cério. As colorações variaram e a flexibilidade aumentou com o aumento do teor deste elemento. Observou-se também que houve um alargamento dos picos cristalinos indicando a perda da cristalinidade ao se aumentar o conteúdo de 4 % para 5 % de Ce, tornando-os menos agudos. Quando se adicionou 6 % Ce na liga a estrutura passou a reter a fase amorfa no estado sólido confirmada pela ausência de picos característicos das fases cristalinas conforme pode ser observado do difratograma apresentado na figura 6 . Nesta mesma figura está apresentado o difratograma de raios-x do lingote de origem desta fita. Comparando-se os dois espectros a evidência de material amorfo fica demonstrada pela presença dos picos de cristais no lingote e sua ausência na fita obtida por solidificação rápida.

De acordo com o trabalho de INOUE [8] esperava-se, já com esses percentuais (4 % Ce e 5 % Ce), se alcançar fase amorfa e maior flexibilidade do que a que as fitas apresentaram, entretanto, somente se observaram estas características na fita contendo 6 % Ce.

As fitas apresentaram espessura aproximada de 0,02 mm e largura aproximada de 2,00 mm. Buscando-se especificar a temperatura de brasagem foram realizados ensaios de DSC nas fitas obtidas, tentando-se encontrar a fita com menor valor na temperatura liquidus. As figuras 7 (a-c) apresentam os DSC das fitas com a indicação das temperaturas liquidus, as quais resultaram em, ~801 ºC, ~783º C, ~758 º C, para as fitas com 4, 5 e 6 % Ce respectivamente.

3.1. Comportamento Mecânico das Juntas Brasadas.

Com o planejamento fatorial, verificou-se a influência das três variáveis de entrada (tempo de deposição do filme fino, temperatura de brasagem e tempo de brasagem) sobre o valor da variável de resposta (resistência à flexão) do processo, buscando definir as faixas ótimas de operação do processo, ou seja, as faixas que maximizem as respostas. De acordo com a Tabela 2, verificam-se os valores das variáveis de entrada e da resposta que foram utilizados para o tratamento estatístico do planejamento fatorial, buscando analisar quais concentrações fornecem valores ótimos e estatisticamente significativos. Para o modelo estudado, do tipo fatorial completo, foram realizados 11 experimentos, dos quais três foram repetidos no ponto central.

O maior valor de resistência à flexão ocorreu para maior tempo de deposição, menor temperatura de brasagem e maior tempo de brasagem, alcançando o valor de 176,8 MPa.

Este valor pode ser considerado bastante satisfatório considerando-se valores alcançados e apresentados na literatura que estão em média em torno de 120 MPa(1,5 ,11 ,12 ,13), e o maior valor alcançado para flexão em 3 pontos por Mori [9] chegou a 189 ±27 MPa na união de Al₂O₃-Al₂O₃. Mais adiante se analisa a ocorrência dos valores de resistência à flexão em 3 pontos em termos da equação da regressão linear associada ao modelo. A equação da regressão linear dos dados experimentais ajustados para a resistência à flexão das juntas é dada pela equação 2.

Onde RF = resistência à flexão (MPa); X1 = tempo de deposição (min); X2 = temperatura de brasagem (ºC); X3 = tempo de Brasagem.

Os parâmetros em negrito são os estatisticamente significativos ao nível de 95 % de confiança. Desta forma a equação (2) torna-se:

Os parâmetros significativos para os valores estudados são, portanto, a média dos resultados de flexão, a interação existente entre o tempo de deposição e a temperatura de brasagem e a interação entre os três fatores. Na Tabela 3, apresenta-se a análise de variância para o ajuste do modelo linear com três parâmetros, através de uma regressão, para a Resistência à Flexão.

A escolha das temperaturas de 1000ºC foi feita para garantir a fusão dos metais adição já que os mesmos estariam sob pressão durante a brasagem.

Com a finalidade de verificar se o modelo apresenta significância estatística, foi feita a análise de variância (% de variação explicada e teste F), utilizando-se o programa Statistica, versão 5.0. Com o teste F foi possível observar que o valor de F calculado foi maior que o valor do F tabelado, para um nível de 95 % de confiança. Portanto, pode-se afirmar que o modelo empírico é estatisticamente significativo. [12]

Através de simulações utilizando a equação (3), pode-se observar que, substituindo-se os parâmetros nos níveis codificados, ou seja, quando se determina valores de X₁, X₂ e X₃, em seu valor médio, codificado pelo valor 0 (zero), nível superior codificado pelo valor +1, e nível inferior codificado pelo valor -1, obtém-se os valores apresentados na Tabela 4.

Através da Tabela 4, observa-se que o valor máximo obtido para a flexão, 166,96 MPa, ocorreu para as simulações 4 e 6, quando as grandezas de X₁, X₂ e X₃, alcançam os valores de 60 minutos de tempo de deposição (-1), 1150 ºC de temperatura de brasagem (+1) e 40 minutos de tempo de brasagem (+1) e 120 minutos de tempo de deposição (+1), 1070 ºC de temperatura de brasagem (-1) e 40 minutos de tempo de brasagem (+1). A Figura 08, apresenta a confirmação gráfica dos resultados das duas simulações, 4 e 6, ou seja, demonstra-se a superfície de resposta: variação da Resistência à Flexão (MPa), RF, em função do tempo de deposição (min), X₁, e da temperatura de brasagem, (ºC), X₂ , mantendo-se a grandeza tempo de brasagem (min) no nível máximo. Pela análise da Figura 8, verifica-se que valores mais altos da resistência à flexão ocorrem quando os valores de tempo de deposição ou temperatura de brasagem encontraram seus valores mais altos, numa combinação inversa de menor tempo de deposição e maior temperatura de brasagem ou menor temperatura e maior tempo de deposição.

As hipóteses para justificar os resultados obtidos são apresentadas a seguir: o maior tempo de deposição acarretaria a formação de uma maior camada de titânio, aumentando a molhabilidade da superfície cerâmica pelo metal de adição e favorecendo a realização na união, isto acontecendo em valores de temperatura de brasagem menores devido a não formação de compostos intermetálicos nocivos que poderiam ocorrer em temperaturas mais elevadas. Por outro lado, em tempos menores de deposição, quando as camadas de Ti são menores, a temperatura mais elevada favoreceria a junta pela maior difusão dos elementos metálicos na alumina, mas sem formar compostos intermetálicos nocivos pela pequena quantidade de Ti depositado.

3.2. Análise das interfaces brasadas

A figura 9 apresenta micrografia das interfaces de amostras brasada com maior tempo de deposição da camada de Ti e maior temperatura de brasagem (a) e menor tempo de deposição da camada de Ti e menor temperatura de brasagem (b). Observam-se descontinuidades e grãos soltos confirmando a pouca eficiência de adesão.

A figura10 apresenta as interfaces brasadas das amostras obtidas com menor tempo de deposição da camada de Ti e maior temperatura de brasagem (a) e com maior tempo de deposição da camada de Ti e menor temperatura de brasagem (b) que apresentaram os maiores valores de resistência á flexão. Observa-se a homogeneidade da mesma e a ausência total de poros ou descontinuidades

4. Conclusões

• É possível a realização do processo de brasagem cerâmicacerâmica, utilizando alumina com pureza > 99,85 % como material base, sendo esta pré-metalizada com Ti por processo de deposição de filmes finos a plasma pela técnica de descarga por cátodo oco e utilizando como material de adição fitas de metal amorfo de composição Cu₄₉Ag₄₅Ce₆ obtidas por solidificação rápida pelo processo "melt-spinning".

• As superfícies metalizadas pelo processo cátodo oco apresentaram uniformidade observadas visualmente em microscópio eletrônico de varredura, sendo possível variar a espessura do filme, mantendo-se fixos os parâmetros do plasma.

• O maior valor absoluto de resistência à flexão ocorreu para o maior tempo de deposição, a menor temperatura de brasagem e o maior tempo de brasagem alcançando 176,8 MPa.

• Através de simulações usando o modelo da regressão linear, observou-se o valor máximo de 166, 6 MPa obtido para a flexão, foi alcançado com os valores de 60 minutos de tempo de deposição, 1150 ºC de temperatura de brasagem e 40 minutos de tempo de brasagem ou então com os valores de 120 minutos de tempo de deposição, 1070 ºC de temperatura de brasagem e 40 minutos de tempo de brasagem.

5. Referências Bibliográficas

(Recebido em 17/03/2009; Texto Final em 10/07/2009).

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  16 Nov 2009
• Data do Fascículo
  Set 2009

Histórico

• Recebido
  17 Mar 2009
• Aceito
  10 Jul 2009