02 - Cobre e Suas Ligas

Cobre e suas ligasProf. Henrique Cezar Pavanati, Dr. EngCENTRO FEDERAL DE EDUCAO TECNOLGICA DE SANTA CATARINAUNIDADE DE ENSINO DE FLORIANPOLISDEPARTAMENTO ACADMICO DE METAL MECNICA - DAMME-mail: [email protected] II Mecnica Industrial

Prof. Henrique Cezar PavanatiCobre e suas ligas

A palavra COBRE deriva do termo aes cyprium, que significa metal proveniente da Ilha de CHIPRE, onde foi descoberto em estado natural durante a Antigidade, mais tarde conhecido como cuprum, palavra latina que deu origem ao smbolo Cu. O cobre um dos metais mais antigos da civilizao mundial, datando seus primeiros usos desde 8.700 anos a.C.Marcou a histria com a Idade do Bronze (Cobre + Estanho) e o domnio de posse e tecnologia do cobre representava nos povos da poca riqueza e poder.O cobre um metal de transio avermelhado, que apresenta alta condutibilidade eltrica e trmica, s superada pela da prata.BREVE HISTRICO


COBRE E SUAS CARACTERSTICASno magnticotemperatura de fuso = 1083 Celevada resistncia a corroso e oxidaoexcelente condutiv. trmica e eltricaexcelente soldabilidadeelevada dutilidade - excelente trabalhabilidaderazovel resistncia mecnica - 50 a 450 MPaampla aplicao das ligas de Cu (bronze, lato) produzido a partir do minrio e de sucata% de Cobre na crosta terrestre = 0,007%


RESERVAS MUNDIAIS DE COBREAproximadamente 400 milhes de ton.Maiores produtores:- Chile- EUA- Canad- Zmbia- Brasil


PRODUO MUNDIAL DE COBRE


CONSUMO MUNDIAL DE COBRE


BENEFICIAMENTO DO COBREExtrao do minrio (Em geral sulfetos de cobre)Triturao e moagemFlotao (ou concentrao)Obteno do mateObteno do cobre blsterRefino


BENEFICIAMENTO DO COBREExtrao do minrio e triturao


BENEFICIAMENTO DO COBREFlotao (ou concentrao)Obs.: sai em torno de 1% do material que entrou


Sulfeto de cobre concentrado (15 a 30% de cobre) Forno de revrbero (Reverberatory Furnace) Sulfeto de cobre parcialmente reduzido (35 a 55% Cu) + escria Conversor de Cobre(injeo de ar no mate) Cobre oxidado (Blster) (98% a 99,5%Cu) + escria Forno de refino Cobre Tenaz Tough Pitch Copper (99,9%Cu) Refinamento Eletroltico Cobre Catodo (99,99%Cu)BENEFICIAMENTO DO COBRE


BENEFICIAMENTO DO COBREObteno do Mate (Forno revrbero) Mate 35 a 55% de cobre


BENEFICIAMENTO DO COBREObteno do Blster (conversores) Blster99,5% de CobreConversor Oxida-se o ferro, fazendo-o se ligar com a slica formando a escria


BENEFICIAMENTO DO COBREREFINO DO COBREPlaca para o refinoCobre 99,9% de CobreRefino TrmicoRefino EletrolticoCobre 99,99% de Cobre


BENEFICIAMENTO DO COBREREFINO ELETROLTICO DO COBRE


BENEFICIAMENTO DO COBREVIDEO HDTDI (303) 9:48


CARACTERSTICAS DO COBRE(CFC)


MICROESTRUTURA COBRE NO LIGADO


Classificao do Cobre no ligado - de acordo com o teor de oxignio : cobre eletroltico tenaz cobre isento de oxignio cobre desoxidado com fsforoPropriedades Mecnicas - no estado recozido ou trabalhado a quenteLR = 50 a 80 MPa Alongamento = 48 a 35% - no estado encruadoLR = 180 a 350 MPa Alongamento = 30 a 6% COBRE NO LIGADO


CARACTERSTICAS DO COBRE NO LIGADO

Resistncia corroso: o cobre e a maioria de suas ligas comerciais so levemente oxidadas em atmosferas secas ou midas, permitindo o seu emprego direto.

Resistncia elstica compresso: capacidade de sofrer compresso sem ocorrer deformao permanente.

Soldabilidade: as peas fabricadas com ligas de cobre so unidas mediante soldagem e/ou brasagem.

Bom condutor de calor: por ter baixa resistividade trmica e boa resistncia corroso, aplicado em trocadores de calor.


Cobre eletroltico tenaz (Cu ETP) - onde se exige alta condutibilidade eltrica e boa resistncia corroso. Ex. linhas telefnicas.Cobre isento de oxignio (Cu OF) - em equipamentos eletro-eletrnicos, devido sua maior conformabilidade.Cobre desoxidado com fsforo, de baixo teor em fsforo (Cu DLP) - utilizado em tubos que conduz fluidos.

APLICAES INDUSTRIAIS DO COBRE NO LIGADO


Fios e Cabos Eltricos - Cobre Eletroltico (baixo % de impurezas)Canalizao Instalaes de gua Quente e GsCoberturasTrocadores de calorDecorativo (Moedas)

APLICAES GENRICAS DO COBRE


APLICAES AUTOMOTIVASRadiadores;Componentes de freio;Bico injetor;Elementos de suspenso.


APLICAES ELTRICASFios eltricos;Bobinas;Conectores;Motores;Circuitos integrados;


APLICAES INDUSTRIAISTubos;Trocadores de calor;Conexes;Rolamentos.


- Estatuas; - Torres; - Estruturas submetidas atmosferas agressivas;Torre de cobre Minneapolis City HallEsttua da Liberdade Nova York81,3 toneladas de cobreAPLICAES EM CONSTRUES


APLICAES - MOEDAS


EFEITO DAS IMPUREZAS NA CONDUTIVIDADE ELTRICA


Existem alguns fatores que contribuem para a reduo de custos em componentes de cobre: Tolerncias pequenas (estreitas) podem ser empregadas durante a manufatura, garantindo que o custo final do produto a ser produzido seja minimizado. Custos com ferramentas podem ser significantemente mais baixos que para outros materiais e processos. A fcil trabalhabilidade do metal indica que os custos de produo podem ser minimizados. A boa resistncia corroso significa que os custos com acabamentos para proteo so menores do que para muitos outros materiais.CUSTO X BENEFCIO


Liga cobre-arsnico desoxidado com fsforo - 0,013 e 0,050% Arsnico, melhorar as propriedades mecnicas a temperaturas elevadas e a resistncia corrosoLiga cobre-prata tenaz- 0,02 a 0,12% de Prata, confere maior resistncia mecnica e resistncia fluncia. Aplicao na indstria eltrica (bobinas)Liga cobre-cromo (CuCr) - 0,8% de Cromo, presta-se a tratamento de endurecimento por precipitao, o qual provoca elevao de resistncia mecnica.Liga cobre-chumbo (CuPb) - 0,8 a 1,2% de Chumbo, com objetivo de melhorar a usinabilidade do cobre, aplicada em componentes eltricos: conectores, componentes de chaves, parafusos.

COBRE - BAIXO TEOR DE ELEMENTOS DE LIGA


LIGAS DE COBRE (ALTO TEOR DE E.L.)


NOMENCLATURA DAS LIGAS DE COBRE Ligas Trabalhadas C1xx - Cu puro ( >99,3%) Ligas elev. Cu (99,3 a 96%) C2xx - Ligas Cu-Zn (Lato) C3xx - Ligas Cu-Zn-Pb (lato Pb) C4xx - Ligas Cu-Zn-Sn (lato Sn) C5xx - Ligas Cu-Sn (bronze) C6xx - Ligas Cu-Al (bronze alumnio) Ligas Cu-Si C7xx - Ligas Cu-Ni e Cu-Ni-Zn

Ligas Fundidas C8xx - Cobre fundido Ligas fundidas com elev. Cu Lato fundido de vrios tipos Bronze fundido de vrios tiposC9xx - Ligas fundidas Cu-Sn Ligas fundidas Cu-Sn-Pb Ligas fundidas Cu-Sn-Ni Ligas fundidas Cu-Al-Fe Ligas fundidas Cu-Ni-Fe De acordo com CDA - Copper Development Association101 - 99.99%Cu120 - 99.9%Cu122 - 99,90Cu-0.02P210 - 95.0Cu-5.0Zn260 - 70.0Cu-30.0Zn464 - 60Cu-39.25Zn-0.75Sn694 - 81.5Cu-14.5Zn-4.0Si


LATO


LATO: cobre + zinco

Zinco: 5% - 45%o zinco confere maior ductibilidade, porm com o Zn tem-se uma nova fase mais frgil que torna o lato menos conformvel;adio de estanho ou alumnio aumenta resistncia a corroso por gua do mar;uso: moedas, medalhas, bijuterias, radiadores de automveis, componentes estampados e conformados, etc.


LATO Caractersticas (vs ao)

Boa usinabilidade;Excelente resistncia corroso ( geralmente a 1 escolha...);Boa condutividade eltrica e trmica;Resistncia ao desgaste razovel;Colorao interessante (decorativo)Facilidade de se fazer acabamento finalBoa soldabilidadeHigiene (propriedades anti-bactericidas)


LATO


LATO Lato - CFC - Liga tpica: 70% Cu + 30% Zn (para cartuchos) - Mole e dctil

Lato + - (a fase CCC) - Liga tpica: 60% Cu + 40% Zn - Mais duro e Resistente - 1% Sn Aumenta a Resistncia Corroso - 2% de Pb Aumenta a Usinabilidade

fase - muito frgil


Lato comercial a 90%Cu-10%Zn75XMicroestrutura do Lato a Lato comercial a 70%Cu-30%Znrecozido - cartucho75X


LATO A resistncia mecnica e o alongamento aumentam com o aumento do % de Zn at 30%Estas ligas tm boa aptido para conformao a frioAcima de 500 C a maleabilidade reduzidaEndurecem fortemente por deformao (encruamento)Boa resistncia corroso em guas salinas.


Microestrutura do Lato a + bLato 60%Cu-40%Zndendritas a matriz b Lato 60%Cu-40%ZnMetal Muntzestado bruto de fusoestado trabalhado a quentefase b (escuro)fase a (claro)75X75Xfase bfase a


fase b (escuro)fase a (claro)Cu + 40%ZnDureza178 HKDureza185 HKMicroestrutura do Lato a + b (Metal Muntz)


Lato a + bNesta fase a resistncia mecnica aumenta, mas o alongamento diminui com o aumento do % de Zn A temperatura ambiente a fase mais dura que a fase O Lato + pouco conformvel a frioAcima de 470 C a liga torna-se repentinamente macia e a 800C mais fcil de conformar que a fase


RESUMO - LATO vs LATO +Lato (at 35%Zn)timo para fabricao de peas por conformao a frioAumento da tenacidade com o aumento do %Zn

Lato + (entre 36 e 50 %Zn)Liga mais dura que o lato Ideal para produtos conformados a quente


LATO Propriedades Mecnicas


LATO Variao de cor com o %ZnA cor avermelhada do cobre adquire uma faixa de tonalidades de amarelo com a adio de zinco

%ZnDescrio da cor> 5% Cor vermelha do cobre5% a 20%Diferentes tons de dourado 30%Lato amarelo40%Amarelo claro

+ MnLato com tonalidade bronze+ AlLato com tonalidade prateada


LATO Adio de outros elementos de ligaMelhorar usinabilidadeMelhorar resistncia mecnicaMelhorar resistncia ao desgasteMelhorar resistncia corrosoAdiciona-se outros elementos de liga ao Lato principalmente devido s seguintes razes:


LATO Outros elementos de ligaPb Favorece a usinabilidade (entre 0,1 e 3%)Al Aumenta a resistncia mecnica dos latesSn Aumenta a resistncia mecnica (acima de 1%) e aumenta a resist. a corroso em ambientes salinosMn Aumenta a resistncia mecnica (o mais utilizada para este fim).Ni Confere tonalidade prateada ao latoSi Melhora a fluidez no estado lquido (ideal para fundio) aumenta a resistncia ao desgaste dos lates


LATO TRATAMENTOS TRMICOSRecozimento para alvio de tensesT = 300 C / 1hRecozimento para recristalizaoUsado para permitir subseqentes deformaes plsticasRecozimento para homogeneizaoAps solidificao pode-se fazer recozimento para homogeneizao (600 a 650 C)Precipitao (tmpera)Ligas Cu-Zn40 (+) Aquecimento acima de 600 C


LATO APLICAESLates Destinam-se especialmente a laminao a frio, estiramento, fabricao de tubos, etc..Liga Cu-Zn5 Medalhas, moedas, objetos decorativosLiga Cu-Zn15 Imitao de jias, devido semelhana com o ouro, e artigos conformados;Liga Cu-Zn30 Trocadores de calor, cpsula de rosca de lmpadas, fabricao de rebites, pregos e parafusos, cartuchos de projteis, etc..


LATO APLICAESLates + Destinam-se especialmente a extruso, estampagem a quente. Liga Cu-Zn40 Geralmente vendido como semi-acabado (perfis sextavados, barras, peas vazadas (torneiras, acessrios para canalizao, etc..)


LATO CUSTO (vs. Ao)Custo do material maior que a do aoSe adicionarmos o custo do material + o custo de produo das peas (near-net-shape) = aplicao do lato pode ser vantajosa;Se considerarmos o custo do material + o custo da produo das peas + custo dos servios de manuteno = aplicao vantajosa;

Tolerncias estreitas, elevada velocidades de corte, no h necessidade de pintura ou recobrimentos...



Custo do materialPr-usinagemFresamentoFurao e RosqueamentoRevestimentoTotalTotal economizado


LATO PERFIS EXTRUDADOS






LATO OUTRAS APLICAES


LATO OUTRAS APLICAES


BRONZE


BRONZE: cobre + estanho

Nos bronzes comerciais o teor de estanho varia de 2 a 12% medida que aumenta o teor de estanho, aumentam a dureza e as propriedades relacionadas com a resistncia mecnica, sem queda da ductilidade Frequentemente adiciona-se chumbo para melhorar as propriedades lubrificantes das ligas, alm da usinabilidade.Os bronzes possuem elevada resistncia corroso, o que amplia o campo de seu emprego.O fsforo geralmente adicionado ao bronze como agente desoxidante e por isso os bronzes tambm so comumente conhecidos como bronzes fosforosos.


Liga + Antiga 5 a 25% de Sn - Vermelho 5% - Amarelo 15 a 25% - Branco > 25% Emprego do Bronze - Aplicaes: tubos flexveis, torneiras, varetas de soldagem, vlvulas, buchas, engrenagens, Vlvulas, Registros, Esculturas, Sinos..

Bronze


BRONZE DIAGRAMA DE FASE (Cu-Sn)


A liga Cu-Sn possui 7 fases slidas (, , , , , , )Fase - Maleveis a frio e a quente. Quanto maior o trabalho a frio menor a quantidade de Sn deve ter. Ao ser conformado a frio aumenta muito seu limite elstico (molas)Fase + - Boas caractersticas autolubrificantes devido a presena de matriz plstica e precipitados durosFase + - Difcil laminao, Deformveis quente ou aps tratamento de recozimento Fase Ocorre somente quando o material resfriado muito rapidamente (%Sn entre 10-20%) BRONZE FASES


Melhoram at 13% de SnAcima de 13% as ligas tornam-se mais frgeis devido a presena da fase A medida que aumenta o % Sn aumentam a dureza e a resistncia mecnica sem perder ductilidadeFrequentemente adiciona-se chumbo para melhorar a usinabilidade e melhorar as propriedades anti-fricoBRONZE PROPRIEDADES MECNICAS


BRONZE Ligas mais comunsBronze trabalhvelContm de 1,25 a 10% de Sn (fase com prec. ) tambm conhecidos como bronze fosforoso por terem 0,1% PO fsforo forma Cu3P que acaba aumentando a resistncia mecnica do bronzeA resistncia mecnica e a corroso do Bronze maior que a maioria dos LatesBronze para fundioMais que 10% de Sn no bronze faz a liga se tornar no conformvelPara ligas fundidas tem-se at 16% de Sn usadas principalmente para buchas de alta resistncia e engrenagens.


BRONZE MICROESTRUTURA


Microestrutura dentrtica do Bronze fundido(Cu 5%Sn)

Barra na foto 200 mBRONZE MICROESTRUTURA


Microestrutura dentrtica do Bronze fundido(Cu 10%Sn 0,5%P)

Ampliao 100xBRONZE MICROESTRUTURA


BRONZE - APLICAESLigas at 2% Sn Boa condutividade eltrica e melhores propriedades mecnicas que o cobre puro.Ligas de 4 a 10%Sn Medalhas e moedas, equipamentos eltricos, indstria qumica, indstria mecnica, parafusos, molas, rebites, porcas, etc.. (Liga tpica Cu5%Sn)Ligas de 10 a 12%Sn Apresentam as melhores propriedades mecnicas. Torneiras e acessrios de tubulaes, discos de frico, bronzinas, molas para servio pesado...Ligas 14 a 18%Sn Peas com boa resistncia ao desgaste por abraso e usadas em guas salinasAcima de 20% - Sinos, para formao do intermetlico Cu31Sn8 (fase ), melhoram a sonoridade da liga.Autolubrificao e resistncia a corroso so as prorpiedades que levam a maioria de suas aplicaes


Cu-11Sn fsforo - contendo 0,10 a 0,30% de fsforo; entre as aplicaes, podem-se citar engrenagens para diversos fins;Cu-10Sn zinco 2 contendo 1,0 a 3,0% de zinco e 1,0% mx. de chumbo conexes de tubos grandes, engrenagens, parafusos, vlvulas e flanges;Cu-6Sn zinco 4,5 chumbo 1,5 contendo 3,0 a 5,0% de zinco e 1,0 a 2,0% de chumbo vlvulas para temperaturas at 290C, bombas de leo e engrenagens;Cu-11Sn chumbo l nquel l contendo 1,0 a 1,5% de chumbo e 0,5 a 1,5% de nquel buchas e engrenagens para diversos fins.

BRONZE OUTRAS LIGAS TPICAS


BRONZE - APLICAES


BRONZE - ANLISEMICROESTRUTURASn 3,1%Zn 9,9%Pb 5,3%Al 0,6%Cu bal.ANLISE QUMICA


BRONZE - ANLISESn 0,6%Zn 6,3%Pb 66,5%Al 6,3%Cu bal.Sn 4,0%Zn 10,0%Pb 0 %Al 0,4%Cu bal.


COMPARAO BRONZE E LATO


LIGA COBRE ALUMNIO


Cobre Alumnioalumnio: at 10%uso: peas para embarcaes, trocadores de calor, evaporadores, solues cidas ou salinasLIGA COBRE ALUMNIOO Fe melhora o limite de elasticidade e o Mn melhora a fluidez da liga no estado lquido


COBRE ALUMNIO FASES


Fase - Resistncia mecnica cresce com o aumento do teor de Al. Endurecem por deformao a frio. So facilmente conformveis a frio e a quente.Fase + 2 Resistncia mecnica maior que a fase alfa. Conformao a quente. Boa resistncia a corroso.COBRE ALUMNIO FASES


COBRE ALUMNIO MICROESTRUTURACu 11,5%AlBranco alfa proeutetide e eutetide uma mistura de alfa e 2, Al4Cu9, Cu 11,8%Al Trat termicamenteAquecido a 900C (1h) e temperado em guaMicroestrutura martenstica


Ligas de 5 a 7%Al Tubos e trocadores de calorLigas de 9 a 10%Al instrumentos eltricos, recipientes para substncias cidas e alcalinas;Liga 9%Al3%Fe12%Mn (Liga superstone) alta resistncia ao impacto COBRE ALUMNIO APLICAES


CUPRONQUEL


CUPRONQUEL - Caractersticas

O Nquel totalmente dissolvido no cobre;O %Ni varia de 5 a 50%Ligas muito dcteis com excelente resistncia corrosoAcima de 10%Ni a liga apresenta cor brancaBoa conformabilidade facilidade em transform-las em chapas, tiras, fios, etc..Boa soldabilidadeA adio de Ni ao cobre aumenta a resistncia mecnica, resistncia corroso e oxidao da liga.


Fase - Estrutura (CFC), peso especfico de 8,94 g/cm3 para 32,2%Ni.CUPRONQUEL FASESComo as ligas Cu-Ni so totalmente miscveis no estado slido temos somente a fase alfa.a


A aplicao de liga com 5% na construo naval, em tubos condutores de gua do mar, circuitos de refrigerao a gua e servios sanitrios de navios.A aplicao de liga com 10% em tubos e placas de condensadores, aquecedores e evaporadores.A aplicao de liga com 20% em resistores, recipientes de transistores e guias de onda de radar.A aplicao de liga com 30% ocorre na construo naval e na indstria qumica.A aplicao de liga com 45% ocorre em elementos de aquecimento na indstria eltrica.CUPRONQUEL APLICAES


Ligas com 10%Ni Tubos Ligas com 20%Ni medalhas, moedas, tubos de condensao e fabricao de resistoresLigas com 30%Ni Construo naval e indstria qumicaLiga entre 35 e 50%Ni (constantan) Fabricao de resistores e termopares;Ligas entre 30 e 67%Ni (monel) Resistentes s guas salinas, cido sulfrico, sulfeto de sdio (Dureza 70HB recozido e 100HB extrudado)CUPRONQUEL APLICAES


CUPRONQUEL APLICAES


RecozimentoRealizado a 550 690 C e nunca alm de 800CCUPRONQUEL TRATAMENTOS TRMICOS


ALPACAS


Tambm conhecida como prata de nquel zinco: 17% - 27% nquel: 8% - 18%uso: chaves, equipamentos de telecomunicaes, decorao, relojoaria, componentes de aparelhos ticos e fotogrficos, etc. so facilmente confundidas com a prata devido a sua colorao Conforme aumenta-se o %Ni a colorao das alpacas muda de marfim para prateadoALPACAS Cu + Ni + Zn - Caractersticas


ALPACAS Cu + Ni + Zn - MicroestruturaFase alfa


ALPACAS APLICAO


LIGAS DE COBRE MOEDAS BRASILEIRASFonte: Casa da moeda do Brasil


ALPACAS APLICAOFonte: Casa da moeda do Brasil

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