Funcionalização de cerâmicos técnicos direcionada para aplicações em joalharia

Abstract

Este estudo nasceu da necessidade de combater uma limitação das jóias de ouro que incorporam cerâmicos. Atualmente, o cerâmico é mantido na jóia por encravamento mecânico no ouro, verificando-se frequentemente com o uso a ocorrência de separação dos dois materiais. O principal objetivo deste trabalho centrou-se no desenvolvimento de um processo que promovesse o estabelecimento de uma ligação de índole química entre metal e cerâmico, em jóias obtidas mediante o processamento conjunto, por prensagem a quente, de pós de ouro e de partículas cerâmicas. O processo consistiu, numa primeira fase, na funcionalização do material cerâmico (vidro-cerâmico maquinável Macor®) efetuada mediante a deposição de um revestimento composto por camadas de Ti, de Ag e Cu. Os parâmetros de deposição das diferentes camadas foram ajustados de forma a produzir um revestimento, do tipo multicamada, com composição química global próxima da da liga de brasagem Cusil-ABA® (63Ag35,25Cu1,75Ti, % ponderal). Amostras de Macor® funcionalizado e partículas de ouro de 19 quilates (80,1Au16,2Cu3,7Ag, % ponderal) foram seguidamente processadas por prensagem a quente a 850ºC, com tempos de estágio de 20 e 60 minutos e pressões de compactação de 20, 40 e 60 MPa. A microestrutura e a composição química das interfaces metal/cerâmico funcionalizado foram analisadas por MEV e EDS, com o intuito de identificar as condições de processamento conducentes ao desenvolvimento de ligações adequadas e de entender os seus mecanismos de formação. Mediante as análises efetuadas foi possível verificar que o processamento realizado a 850ºC, com 60 minutos de estágio e com pressões de compactação de 40 e 60 MPa, conduz à formação de interfaces relativamente sãs. A avaliação da resistência mecânica das ligações obtidas sob estas condições de processamento foi efetuada mediante a realização de ensaios de resistência ao corte. Verificou-se que para ambas as condições de processamento testadas, as ligações apresentam uma resistência ao corte média de cerca de 75% da resistência do vidro cerâmico (44 ± 12 MPa). Verificou-se também que nas amostras processadas com Macor® sem funcionalização, facilmente ocorre separação entre a parte metálica e a parte cerâmica em resultado do manuseamento. As superfícies de fratura foram analisadas por MEV, EDS e DRX, tendo-se verificado que a fratura ocorre parcialmente pela interface, através de uma fina camada de reação, possivelmente composta essencialmente por óxidos, e parcialmente pelo vidrocerâmico.

This work has been developed in order to eradicate a limitation which occurs in jewels that incorporate, simultaneously, ceramic and metallic materials. Nowadays, ceramics in jewels are attached to gold by mechanical interlocking and thus, separation between metal and ceramic often easily happens. The main goal of this thesis was to develop a process that promotes a chemical bonding between metal and ceramic, in jewels obtained from hot-pressing, simultaneously, gold powders and ceramic particles. To achieve this aim, the ceramic material (Macor® machinable glass ceramic) was functionalized with layers Ti by PVD and Ag and Cu, both by electroplating. The deposition parameters were adjusted so that a multilayered coating, with a global composition close to that of Cusil-ABA® (63Ag35.25Cu1.75Ti, wt. %) active brazing alloy was produced. Samples of functionalized Macor® and 19 carat gold particles (80.1Au16.2Cu3.7Ag, wt. %), were then processed for 20, 40 and 60 MPa. The microstructure and chemical composition of the metal/functionalized ceramic interfaces were analyzed by SEM and EDS with the aim of identifying the processing conditions leading to the formation of sound interfaces and to understand the mechanisms that promote bonding. Results show that hot-pressing at 850ºC, with a dwelling stage of 60 minutes and applied pressures of 40 and 60 MPa, induces the formation of relatively sound interfaces. Mechanical testing of joints produces under the above set of processing conditions was conducted by shear testing. For both processing conditions tested, the shear strength of joints was around 75% of the glass-ceramic strength (44 ± 12 MPa). It was also verified that when hot-pressing was carried out using Macor® with no functionalization, separation between metal and ceramic parts occurred due to handling the samples. The analysis of the fracture surfaces by SEM, EDS and XRD showed that joints fracture occurs partially across the interface, through a thin reaction layer that should be essentially composed by oxides, and partially across the glass-ceramic sample.