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A brasagem é uma técnica extensivamente utilizada para ligar pares metal- metal (M/M), metal-cerâmica (M/C), e cerâmica-cerâmica (C/C). Esta técnica tem uma vantagem fundamental sobre os outros processos, uma vez que as partes a serem unidas não necessitam de aplicação de pressão e de um controle dimensional preciso das interfaces [3,5-8,29]. Este processo consiste na introdução de uma película metálica de baixo ponto de fusão entre os materiais a unir. Posteriormente esta funde, dando origem a uma fase líquida que assegura o contacto íntimo entre as duas superfícies sólidas, que após solidificação ajuda a minimizar o campo de tensões térmicas residuais. Ou seja, a fase líquida deve penetrar inteiramente nas cavidades, asperidades e porosidades, isto é, deve “molhar” completamente as duas fases sólidas [2,3,5-8,29].

Ao selecionar a técnica de brasagem para produção de juntas M/C, deve-se ter em conta alguns fatores, sendo os mais importantes: o estado das superfícies a unir; a atmosfera do forno e o ciclo térmico.

i. Preparação das superfícies.

Já foi referido anteriormente e dada bastante atenção à questão do acabamento e limpeza superficial das superfícies a unir. A rugosidade tem influência no molhamento e espalhamento da liga de adição sobre as superfícies sólidas [43]. Uma superfície bastante rugosa pode degradar a resistência da interface liga de adição/componente cerâmico ou metálico. O valor da rugosidade média para superfícies a serem brasadas não é consensual. Por exemplo, Schwartz recomenda que a rugosidade média das superfícies a unir esteja compreendida entre 0,8-2,0 μm. A Associação Britânica de Padronização (BS 1723) recomenda que a rugosidade média dos componentes não deve ultrapassar os 1,6 μm [34].

O polimento das superfícies deve ser cuidadoso de modo a obter uma superfície isenta de heterogeneidades, filmes de óxidos e impurezas. Esta operação deve ser complementada com uma limpeza (lavagem com

água destilada, e banhos de ultrassons), desengorduramento (lavagem com álcool etílico ou acetona) e secagem com ar quente.

ii. Atmosfera do forno.

Este é um fator fundamental na brasagem, sobretudo quando se utilizam ligas de adição com elementos reativos na sua composição. Uma atmosfera de alto vácuo com valores entre 10-4 a 10-5 mbar, é a atmosfera mais recomendada para diminuir a atividade do oxigénio e nitrogénio [17]. Caso não seja possível usar um equipamento com sistema de vácuo, pode- se recorrer a atmosferas inertes ou redutoras por insuflação de gases de elevada pureza, tais como: argónio, hélio.

iii. Ciclo térmico.

Na brasagem, é prática comum aquecer o par M/C a velocidades baixas. Contudo é possível aquecer a velocidades entre 10 a 20ºC/min até uma temperatura de 60 a 70% abaixo da temperatura de sólidos da liga de adição, fazer um estágio de 15 a 30 minutos para homogeneização da temperatura de todas as partes a unir e depois proceder a um novo aquecimento até à temperatura de brasagem. Este segundo aquecimento deverá ser feito a uma velocidade baixa, igual ou inferior a 5ºC/min para que a uniformidade da temperatura se mantenha em toda a peça. Poderá se fazer um aquecimento até temperatura de brasagem sem efetuar o estágio de uniformização, desde que a velocidade de aquecimento seja lenta (inferior a 5ºC/min). A temperatura de brasagem e o posterior tempo de estágio devem ser função do tipo de liga que se utiliza. O esfriamento deve ser realizado a uma velocidade moderada para evitar choques térmicos e tentar minimizar a formação do campo de tensões residuais devido aos diferentes CET dos materiais envolvidos [2,3,6,8].

Algumas cerâmicas estruturais (ex: ZrO2, Si3N4, AlN, SiC, TiC, Al2O3) são compostos quimicamente muito estáveis, sendo difícil o molhamento destes materiais por metais líquidos [43-45]. Nesses casos será necessário promover a molhabilidade das superfícies sólidas, podendo se realizado através de:

a) Sinterização de um pó metálico na superfície, utilizando temperaturas entre 1000 e 1800ºC, em atmosfera redutora.

b) Reação superficial com um sal metálico, temperaturas entre 450 a 1250ºC, em atmosfera redutora.

c) Sinterização de mistura de pó de vidro e metal na superfície, com temperaturas de 450 a 1250ºC.

d) Deposição física em fase vapor (T≥ 1250ºC, em vácuo).

e) Utilização de ligas de adição com elementos “ativos” – um ou mais elementos são incorporados na liga de adição, os quais vão reagir com a cerâmica aumentando a sua molhabilidade, modificando a sua composição superficial. Titânio, zircónio, berílio e alumínio são exemplos de metais de adição, os quais formam óxidos mais estáveis do que as fases cerâmicas, podendo criar uma continuidade química entre as duas partes a unir [6,44,45].

Um dos processos mais comuns utilizados para tratar as superfícies cerâmicas para posterior brasagem envolve a sinterização na sua superfície de um pó metálico, sendo o processo de metalização com molibdénio-manganês (Mo-Mn) [47,48]. O processo foi desenvolvido em 1950 por Nolte e Spruck e consiste basicamente na preparação contendo uma mistura de Mo+MoO3, Mo+MoO2, e vários compostos formadores de uma rede vítrea, a qual será aplicada na superfície da cerâmica como se tratasse de uma pintura [47]. Posteriormente este revestimento cerâmico é calcinado em uma atmosfera rica em H2 a uma temperatura de cerca de 1500ºC, onde irá ocorrer a densificação das fases metálicas pela fase vítrea, obtendo-se então uma ligação do revestimento à superfície cerâmica [47].

Outro processo é a ativação por hidreto de titânio (TiH2), a qual consiste na aplicação de um pó de TiH2 sobre a superfície cerâmica, antes da brasagem em vácuo. O TiH2 dissocia-se entre 350 a 550ºC, dando origem a um revestimento de Ti de elevada reatividade [47-49].

O processo utilizando sais metálicos, que podem ser dispersos em um solvente, também permite uma pintura da superfície cerâmica. Ou de uma maneira mais simples, mergulhar a cerâmica na solução contendo o sal metálico. Seguidamente se procede à secagem e redução a alta temperatura, formando-se posteriormente um revestimento de metal ativo na superfície da cerâmica [47].

De uma maneira semelhante, dispersões finas de partículas metálicas e de vidro em suspensão em uma solução orgânica são também utilizadas para promover a metalização da superfície cerâmica. A cerâmica revestida é depois aquecida a temperaturas para “fundir” o vidro, garantindo desta maneira a adesão das partículas metálicas à cerâmica [17,48].

Uma alternativa ao processo de metalização tradicional é a utilização de revestimentos metálicos obtidos por deposição em fase vapor para promover a união M/C. São processos com custo elevado mas os filmes finos depositados na superfície da cerâmica apresentam uma boa homogeneidade de texturas e espessuras. Os filmes finos, geralmente de metal reativos como o Ti e Zr, são normalmente obtidos por processos de pulverização (sputtering) ou vaporização por feixe de elétrons. São exemplos por esta técnica os revestimentos de Ti por

sputtering, para produzir uniões C/C de ZrO2 parcialmente estabilizada ou de

Al2O3 recorrendo posteriormente a ligas de adição Ag-30Cu-10Sn [17,34,49]. A metalização mecânica de superfícies cerâmicas está sendo largamente estudada, com o objetivo de conseguir uniões M/C por brasagem sem a utilização de ligas com metal ativo e a um custo reduzido [29-32,50,51]. A metalização mecânica foi desenvolvida e patenteada no Forschungszentrum Jülich na Alemanha (Centro de Pesquisa de Jülich), tendo sido estudado inicialmente na metalização com titânio em peças de alumina [29].

O processo de metalização mecânica consiste em atritar um material metálico reativo com a superfície cerâmica a ser revestida, provocando o desgaste

componente metálico (menor dureza) e a sua deposição na superfície cerâmica (componente de maior dureza) [29-32]. A metalização mecânica é um processo com inúmeras vantagens sobre os demais processos, tais como [29]:

 A deposição do filme metálico é feita por equipamentos convencionais, na temperatura ambiente e em uma única etapa;

 A deposição do filme metálico pode ser aplicada apenas nas áreas que se deseja molhar com a liga de adição;

 Processo de fácil automatização e que não exige mão-de-obra especializada;

 Simplicidade e rápida execução;  Baixo custo.

Em seus estudos de brasagem, Nascimento e colaboradores [29,30] obtiveram com sucesso uniões de ligas de FeNiCo e Cu e alumina metalizada com Ti, através de brasagem com ligas de adição AgCu, tendo as essas uniões apresentado boas propriedades mecânicas. Nascimento et al. [31] realizaram também trabalhos de brasagem de aço inox AISI 310 com nitreto de silício metalizados com Ti, tendo utilizado ligas de adição Ag28Cu e Au18Ni. As uniões obtidas revelaram boas propriedades de estanqueidade, ficando os valores abaixo de 2,0x10-9 mbar.L.s-1. Pimenta [32] conseguiu brasar ligas metálicas Kovar e Ti6Al4V com zircônia metalizada com Ti e Zr, e liga de adição no AgCu, tendo as uniões apresentado boas propriedades mecânicas e de estanquidade.

Contudo, os filmes depositados por metalização mecânica apresentam heterogeneidades de distribuição de texturas e espessuras. Podendo assim comprometer as propriedades mecânicas das juntas M/C. Torna-se necessário um controle rigoroso dos parâmetros envolvidos no processo. Normalmente, o titânio e suas ligas são os materiais metálicos mais utilizados na metalização mecânica, pois apresentam pobres propriedades tribológicas, com um elevado e instável coeficiente de atrito e um severo desgaste adesivo [29]. A desvantagem da utilização de titânio é devido a sua capacidade de absorver grandes quantidades de O2, N2, H2, oxidando facilmente e formando soluções sólidas intersticiais que

propiciam o seu endurecimento a frio, o que, em princípio, pode dificultar o processo de metalização [52].

É importante salientar que todas estas técnicas de revestimento de cerâmicas são apenas um passo intermediário no processo de união M/C. Após o revestimento da cerâmica, o passo final será a brasagem propriamente dita com recurso a ligas de brasagem ou adição (ex. CuAgAu) [6].

Para se obter uma junta M/C com boas propriedades mecânicas e herméticas, é necessário que ocorra o molhamento da cerâmica pelo metal de adição. O molhamento de uma cerâmica pode ser conseguido por dois processos genéricos: ou por aplicação de um revestimento nas superfícies cerâmicas antes de se proceder à brasagem (como já referido anteriormente), ou por incorporar elementos reativos na liga de adição [6,44-46].

A denominação de brasagem ativa difere da brasagem normal, pelo fato de as ligas de adição possuirem na sua composição química um elemento reativo, evitando desta forma o recurso à operação intermédia do revestimento com metais da superfície cerâmica. Deste modo, adicionando um elemento ativo na liga de adição, como Ti ou Zr, resulta de uma forma geral na reação de redução da cerâmica e a formação de novas fases compostos molháveis na interface M/C [53,54]. A sequência de formação destes novos compostos pode ser bastante complexa, e originar uma série de camadas de reação, envolvendo óxidos simples e complexos de Ti e outros elementos da liga de adição, compostos intermetálicos. O sistema multicamada vai atenuar o campo de tensões residuais gerado pelo ciclo térmico, fazendo uma transição gradual das propriedades físicas e mecânicas entre o metal e a cerâmica [5-8].

Contudo, é necessário um controle cuidadoso com a seleção dos materiais (composição química da liga adição ativa) e os parâmetros de brasagem (atmosfera do forno e ciclo térmico) de modo a evitar a presença de intermetálicos na interface M/C, que irão afetar de forma negativa as propriedades mecânicas da junta. A espessura e as propriedades mecânicas de cada fase, bem como o CET e adesão de cada fase, vão determinar as propriedades finais da união M/C [17,34,47,55,56].

O fenómeno da molhabilidade tem uma importância primordial em métodos de união M/C e C/C que contem uma fase líquida durante o seu processamento.