INFLUÊNCIA DA RUGOSIDADE SUPERFICIAL NA RESISTÊNCIA

17 CBECIMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Cincia dos Materiais, 15 a 19 de Novembro de 2006, Foz do Iguau, PR, Brasil.

INFLUNCIA DA RUGOSIDADE SUPERFICIAL NA RESISTNCIA MECNICA DE UNIES ALUMINA/Fe-Ni-Co. Garcia Jnior, O. R.(1), Gabos, C. B.(2), Franscisco, F. R.(3), Bagnato, O. R.(4) Rua Giuseppe Mximo Scolfaro, 10000 CEP 13084-971, Campinas, SP [email protected] Laboratrio Nacional de Luz Sincrotron LNLS

RESUMO Neste projeto foram utilizados substratos de alumina (Al2O3) metalizados qumica e eletroliticamente com nquel, para produzir juntas brasadas em alto vcuo, do tipo Al2O3/CuAg/Fe-Ni-Co, estudando particularmente resistncia mecnica e estanqueidade sob ultra alto vcuo. Dentre as variveis do processo, selecionou-se a rugosidade do substrato como varivel de estudo, tendo sido utilizados vrios abrasivos, a fim de avaliar sua influncia na resistncia mecnica, quantificada atravs do mtodo de flexo em quatro pontos. Os resultados da avaliao do filme depositado foram obtidos atravs de tcnicas de microscopia ptica e eletrnica de varredura e indicaram que este estvel e contnuo mesmo aps operaes em temperatura elevada, alem de apresentarem boa cobertura do substrato e total compatibilidade com o metal se adio. Os resultados dos ensaios mecnicos no so conclusivos at o momento. Palavras-chave: Microestrutura Brasagem, Alumina, Rugosidade, Electroless Plating,

INTRODUO

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Junes do tipo metal/cermica so largamente utilizadas em muitas reas da engenharia pois renem propriedades distintas desses materiais. Sua aplicao justificada quando se deseja produzir um componente capaz de atender exigncias localizadas de tenacidade, isolamento eltrico e trmico, desgaste, resistncia a corroso e temperaturas elevadas(1). Os processos de juno que resultam na formao de ligaes qumicas e fsicas, tais como brasagem e difuso no estado slido, so movidos pelo principio termodinmico de minimizao de energia do sistema, atravs da reduo da energia superficial dos componentes e do gradiente de potencial qumico existente na interface entre os dois materiais quimicamente diferentes(2). A dificuldade, entretanto, est na maneira de se fazer essa unio devido as diferenas estruturais de cada um dos materiais. Existem vrias maneiras de efetivar essa juno tais como difuso no estado slido, adesivos, brasagem etc, sendo que esta ltima um dos processos mais utilizados. O processo convencional inclui a utilizao de metais de adio do tipo Ag-Cu, com metais ativo como o Ti, que reage quimicamente com a superfcie da cermica, nesse caso com o oxignio do Al2O3, dissociando-a e levando a formao da camada de reao, do tipo TixOy (3). Apesar dessa tcnica se mostrar muito eficiente ela extremamente custosa o que pode inviabilizar a sua prtica. Portanto foi utilizado uma tcnica de metalizao de superfcies chamada electroless plating(4) onde ela descreve o mtodo de depositar metal em algo atravs de reaes eletroqumicas. Essa deposio qumica ocorre atravs de um mecanismo de reduo e oxidao (redox), que so reaes que envolvem a transferncia de eltrons. Sendo que a oxidao de uma substancia caracterizada pela perda de eltrons e a reduo atravs do ganho do mesmo. Basicamente as equaes que regem a deposio sem corrente do Ni so:

reduo : Ni +2 + 2e Ni 0 E 0 = 25mV

(

) ( ) )

(A) (B) (C)pode ser

Oxidao : H 2 PO 2 + H 2 O H 2 PO3 + 2 H + E 0 = +50mV

Ni + 2 + H 2 PO 2 + H 2 O Ni 0 + H 2 PO3 + 2 H + E 0 = +25mV

(

A

resistncia

mecnica

de

uma

juno

metal/cermica

significantemente influenciada pela molhabilidade do metal de solda no substrato

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cermico. Exatamente nesse aspecto foi verificado que a rugosidade superficial exerce um fator crucial aumentando a rea interfacial, portanto alterando o ngulo de molhamento esttico e dinmico e aumentando assim sua resistncia mecnica(5,6)

. Por outro lado, uma superfcie rugosa pode no ser totalmente molhada devido

a grandes ranhuras. Sendo este um dos fatores de diminuio da resistncia mecnica(5). MATERIAIS E MTODOS CORTE, POLIMENTO E LIMPEZA DA AMOSTRAS Os corpos de prova de alumina (Al2O3 99%) foram retirados de um disco com dimetro 165 mm por 10 mm de espessura, retificada no fabricante, com rugosidade original de 0,77 Ra. Para o corte dos corpos de prova utilizou-se uma serra de preciso ACCU-CUT 5255 DICING SAW ARENCO PRODUCTS INC. Os corpos de prova foram cortados nas medidas de 15x4x3mm. Essas amostras foram dividas em trs lotes e polidas manualmente. O primeiro lote foi mantido a rugosidade inicial, o segundo foi polido com carbeto de silcio 120 #, que gerou peas com rugosidade mdia de 1,0 Ra e o terceiro lote foi polido com pasta de diamante de 1m, que gerou peas com rugosidade mdia de 0,3 Ra. O tempo do polimento variou para cada abrasivo at a superfcie da alumina ficar com uma rugosidade homognea. Para medir a rugosidade no padro Ra foi utilizado um calculada sua mdia. A limpeza das amostras foi feita deixando as peas submersas em acetona e levando-as ao ultra-som por 20 minutos e depois queimando-as num forno do tipo mufla a 1100C, garantindo que elas estaro livres de quaisquer sujeiras. Os outros componentes como o metal de solda e o kovar ( liga Fe Ni Co, que atua como intercamada metlica entre o metal e a cermica) so levados apenas ao ultra-som com acetona. DEPOSIO QUMICA DE NIQUEL FSFORO E NQUEL ELETROLTICO NOS SUBSTRATOS CERMICOS Para se fazer a ativao no substrato, a alumina foi imersa na soluo de cloreto de estanho por 2 minutos. Aps esse tempo lavouperfilmetro DEKTAK3ST e um rugosmetro Mitutoyo Surftest-211. Foram feitas 10 medidas ao longo da pea e

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se o substrato durante 10 segundos e em seguida colocou-o na soluo de cloreto de paldio, lavou-se de novo e repetiu-se o procedimento. Para se fazer a deposio qumica primeiramente aqueceu-se, utilizando um banho-maria, o banho de nquel fsforo 55C. Aps terminada a ativao colocouse a alumina utilizando uma pina ou suporte diferente do que foi utilizado na etapa de ativao no banho e agitou-se levemente durante 40 segundos (taxa de deposio 100nm/min). Aps a deposio a amostra foi novamente lavada em gua por 1 minuto. Aps a deposio sem corrente de nquel no substrato de alumina feito uma deposio eletroltica de nquel atravs de um banho do tipo Watts(7) para aumentar a espessura de camada vivel. As amostras permaneceram 90 segundos nesse banho. ESCOLHA DO METAL DE ADIO, METAL BASE E MONTAGEM O metal de adio escolhido para as brasagens uma liga euttica de prata numa matriz de cobre. A prata corresponde a 28% da liga e o cobre 72%. A temperatura solidus de 780C, T liquidus 780C e T brasagem 795C. O metal base escolhido foi uma liga composta por Fe-Ni-Co, de nome comercial kovar. O metal de adio foi cortado nas dimenses 3x4x0,1mm e o metal base nas dimenses 3x4x0,75mm. O material a ser brasado foi montado como na Figura 1, em um dispositivo feito para garantir o contato entre todos os elementos.

Fe-Ni-Co Alumina Metalizada

Cusil

Figura 1 - Montagem do materiais a serem brasados

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BRASAGEM Para brasagem foi utilizado um forno resistivo de alto-vcuo (~105

mbar), com uma temperatura de brasagem que depende do metal de adio (no As taxas de aquecimento e resfriamento so fundamentais para uma boa

caso do Cusil 795C). brasagem. As taxas escolhidas foram de 4C/min para evitar a degasagem brusca do forno e das peas at ~720 C, permanece-se 20 minutos nessa temperatura para homogeneizar a temperatura do forno e da pea. O aquecimento at a temperatura de brasagem de ~3C/min depois do patamar, o forno fica um tempo de aproximadamente 5 minutos nesta temperatura para garantir o molhamento adequado. O resfriamento tambm lento (~4C/min) para evitar tenses residuais provocadas pela diferena dos coeficientes de expanso trmica metal/cermica. MICROSCOPIA PTICA E ELETNICA Para realizao da microscopia foi utilizado um Microscpio Eletrnico de Varredura Baixo Vcuo (LV-SEM JSM 5900LV) operando entre de 1kV a 30kV, equipado com um detector de Raio-X para micro-anlises e mapeamento qumico e um detector de difrao de eltrons retroespalhados. Para observar materiais no condutores no microscpio eletrnico as amostras devem ser metalizadas com ouro, pois a alumina no um material condutor. Utilizou-se ento um Sputter Coater BAL-TEC SCD 050, obtendo um filme de aproximadamente 16 nm em 60 s a uma corrente de 40 mA. ENSAIOS MECNICOS Os ensaios de flexo em 4 pontos foram feitos numa mquina de ensaios universal EMIC, com clula de carga de 20 ton com dispositivos adequados. ENSAIO DE ESTANQUEIDADE Para o teste de estanqueidade foi utilizado um corpo de prova de alumina-99%, com 16,5mm de dimetro com um furo de 5,5 mm de dimetro no centro. Ela foi metalizada conforme o procedimento padro e brasada com uma pea de Fe-Ni-Co de 10 x 6x 0,9 mm seguindo os procedimentos descritos anteriormente. O teste foi feito num leak detector Balzers HLT 100.

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RESULTADOS E DISCUSSO MICROSCOPIA PTICA Primeiramente foi feita uma analise em microscopia ptica da interface Fe-Ni-Co.Na Figura 2, pode-se ver no centro o filete de brasagem constitudo de 78% de cobre e 22% de prata, caracterstico da liga euttica, abaixo alumina e acima Kovar. Pode-se ver tambm que a unio se d de forma continua e sem defeitos. Na interface Al2O3/Cusil h uma camada de nquel depositado qumica e eletroliticamente.Kovar Camada de Nquel

Cusil

Al2O3

Fig 2- Regio da interface metal cermica vista no microscpio ptico MICROSCOPIA ELETRNICA DE VARREDURA (MEV) Com o microscpio eletrnico de varredura (LV-SEM JSM 5900LV) foi possvel mensurar tamanho das partculas, homogeneidade do filme, superfcie de fratura e o estudo do filete de brasagem em ambas interfaces. As Figuras 3 e 4 mostram a alumina metalizada de topo dando informaes a respeito da metalizao. Na Figura 3 tem-se um panorama da alumina metalizada apenas com Ni-P. Observa-se que a metalizao com Ni-P no d cobertura total do substrato. J na Figura 4 foi feito um panorama do substrato metalizado com Ni-P e nquel eletroltico, onde se pode ver uma total cobertura da amostra. Os pontos brancos na Figura 3 so partculas de Ni-P que ancoram a deposio de nquel eletroltico vista na Figura 4.

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Fig 3-Foto de topo de alumina metalizada apenas com Ni-P.

Fig 4-Foto de topo de alumina metalizada com Ni-P e nquel eletroltico.

Nas Figuras 5 e 6 possvel observar o tamanho de partcula do banho de NiP. As partculas so de tamanhos muito variados indo de 150 800nm de dimetro, com detalhes nota-se que no ocorre cobertura total da superfcie cermica.

Fig 5 -Tamanho de partcula de alumi- Fig 6 -Tamanho de partcula de alumina na metalizada apenas com Ni-P. metalizada com Ni-P e nquel eletroltico.

Depois das amostras passarem pelo ensaio de flexo em quatro pontos foram feitos os ensaios de fratografia nas amostras rompidas. Na Figura 7 pode-se ver a formao bsica de uma liga euttica prata-cobre com a presena de imperfeies ao longo de toda amostra, diminuindo a rea efetiva de brasagem e enfraquecendo a resistncia da juno. Na Figura 8 pode-se ver a presena de bolhas, provavelmente geradas a partir da evaporao de gases na hora da brasagem, sendo que esse defeito tambm interfere na resistncia mecnica do conjunto.

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Figura 7 - Euttico Ag-Cu com presena de imperfeies ao longo da amostra.

Figura 8 Presena de bolhas na amostra pra ensaio de fratografia.

MICRO-ANLISE Com a analise qumica, finalmente foi entendido o porque da necessidade de uma camada de nquel eletroltico por cima do Ni-P. Isso se deve ao fato da metalizao de Ni-P cobrir muito pouco a alumina elevando a tenso slidolquido ocasionando o no molhamento pela liga de adio. A Figura 9 mostra um corpo de prova de alumina metalizado apenas com Ni-P no lado direito e com nquel eletroltico do lado esquerdo, as Figuras 10 e 11 mostram a quantidade de um certo elemento qumico (atravs da tcnica de MEV - mapping) que nesse caso Al e Ni.

Ni-P

Ni eletroltico

Figura 9- Interface de uma superfcie metalizada com Ni-P de um lado e e com Ni eletroltico do outro.

Figura 10-Distribuio de nquel ao longo da superfcie da amostra da Figura 9.

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Figura 11-Distribuio de alumnio ao longo da superfcie.

Figura 12-Alumnio versus Nquel na superfcie.

Na Figura 9 v-se a presena de uma seta, isso significa que foi feito uma analise gradual de alumnio versus nquel durante o caminho da seta que est representado na Figura 12. Nota-se a variao da concentrao de nquel na superfcie comprovando quimicamente a constatao visual. Na Figura 13 pode-se comprovar que na metalizao de Ni-P se da atravs de partculas, tendo muito espaamento entre elas. Na Figura 14 foi feita uma analise de dentro da partcula para fora, mostrando a quantidade de nquel de acordo com a seta.

Figura 13- Foto de superfcie metalizada apenas com Ni-P.

Figura 14- Quantidade de nquel de dentro da partcula para fora.

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ENSAIOS DE RESISTNCIA MECNICA Foram realizados dois ensaios de flexo em 4 pontos nas condies de rugosidade inicial (0.77 Ra), nos quais no se obtiveram carga de ruptura mensurvel pois a mquina (EMIC 20 ton) no tem sensibilidade adequada. Entretanto a ruptura se deu na interface de brasagem, conforme registros nas figuras de fratografia. Espera-se obter resultados quantitativos em breve. ENSAIO DE ESTANQUEIDADE A amostra preliminar para o teste de estanqueidade suportou um vcuo de 10-8 mbar. CONCLUSO O presente trabalho mostrou a viabilidade do processo de brasagem de alumina/kovar por metalizao qumica e eletroltica de nquel e caracterizou as melhores variveis do processo para manter uma certa confiabilidade na junta. Atravs de tcnicas de microscopia ptica e eletrnica de varredura foram quantificadas a morfologia e o tamanho de partculas, estudo da fratografia das interfaces, alm do estudo do filete de brasagem em ambas interfaces. Foi confirmada a estabilidade da camada de nquel, sua continuidade mesmo aps as operaes em temperatura elevada, alm de apresentarem boa cobertura do substrato e total compatibilidade com o metal de adio. Pode-se afirmar que o substrato metalizado com apenas Ni-P no apresenta uma boa cobertura qumica, o que foi comprovado por MEV acarretando uma pssima soldabilidade do conjunto. Os ensaios de flexo em 4 pontos no so conclusivos at o momento.

REFERENCIAS 1. KINGERY, W.D., et al. Introduction to Ceramics. 2. ed. USA: A Wiley Interscience publication, 1976. 2. BAGNATO, O. R., Estudo de Juntas Metal/Cermica Brasadas com Metal Ativo para Aplicaes em Ultra-Alto Vcuo. 1992. Tese ( Mestrado em

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engenharia de materiais), Faculdade de Engenharia Mecnica, DEMA, UNICAMP, Campinas SP, Brasil. 3. DO NASCIMENTO, Rubens Maribondo. Unies Al2O3 / Al2O3 e Fe-Ni-Co / Al2O3. 1997. Tese ( Mestrado em engenharia de materiais), Universidade Federal de Santa Catarina, 1997. 4. MALLORY, G. O., The Fundamental Aspects Of Electroless Nickel Plating. In: MALLORY, G. O.;HADJU, J. B. Electroless Plating: Fundamentals and applications. AESFS: USA, 1990. p. 1-56. 5. ZHOU. X. B.; DE HOSSON, J. TH. M. Influence of surface roughness on the wetting angle. J. Mater. Res., Netherlands, v.10, n.8, p. 1984-1992, 1995. 6. NICHOLAS. M. G.; CRISPIN. R. M.; Some effects of anisotropic roughening on the wetting of metal surfaces. Journal of Materials Science, Oxfordshire, UK, v. 21, n. 2, p522-528, 1985. 7. Organizado pela equipe da revista Galvanotechnik, Galvanotcnica Prtica, 2 ed. Ed. USP, 1973.

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INFLUENCE OF SURFACE ROUGHNESS ON THE MECHANICS RESISTANCE OF Al2O3/Fe-Ni-Co JOINTS. ABSTRACT In this project alumina substrate (Al2O3) had been chemically and eletrolitically metallized with nickel to produce brazed joints in high vacuum, type Al2O3/CuAg/FeNi-Co, studying particularly mechanics resistance and no leak under high vacuum. Amongst the variable of the process, it was selected the roughness of the substrate as variable of study. A couple of abrasives having been used, in order to evaluate its influence in the mechanics resistance, quantified through the method of four points bend test. The results in the film evaluation had been made through techniques of optic and scanning electronic microscopy and they indicate that it is stable and continuous even after the operations in high temperatures, and they present a good covering of the substrate and total compatibility with the filler metal. The results of mechanical tests are not concluded at this point. Key Words: Brazing, Alumina, Roughness, Electroless Plating, Microstructures

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