56207322 Ligas de Cobre Bronze

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL - UFRGS ESCOLA DE ENGENHARIA - DEPARTAMENTO DE METALURGIA DISCIPLINA: ENG06634 FUNDIO III

Estudo das Ligas de Bronze

Arlan Pacheco Figueiredo

Porto Alegre, Setembro de 2002.

Ligas de Bronze Autor: Arlan Pacheco Figueiredo

NDICE1. Introduo.........................................................................................................3 2. Breve histrico..................................................................................................3 3. Aspectos Econmicos da Produo de Cobre no Mundo................................4 3.1 Proviso de cobre primrio.........................................................................4 4. Fornecedores de Bronze .................................................................................7 4.1 No Mundo....................................................................................................7 4.1.1 CONTIBRONZES - Fundio Contnua e Centrfuga S.A...................9 4.1.2 Anchor Bronze & Metals.......................................................................9 4.2 No Brasil....................................................................................................10 4.2.1 Grupo Paranapanema (Eluma)..........................................................10 4.2.2 Dubronze Aos e Metais Ltda............................................................10 5. Classificao e Nomenclatura das Ligas de Cobre........................................10 6. Caractersticas das Ligas de Bronze..............................................................12 6.1 Bronzes de Estanho (Ligas de Cu-Sn).....................................................12 6.2 Metalografias das ligas Bronze Estanho...................................................14 6.2 Bronzes de Alumnio.................................................................................15 6.3 Bronzes de Berlio.....................................................................................17 6.4 Bronzes de Silcio.....................................................................................18 7. PRODUO DO BRONZE.............................................................................19 7.1 Fornos de Fuso.......................................................................................19 7.1.1 Fornos de Cadinhos...........................................................................20 7.1.2 Forno de revrbero.............................................................................21 7.1.3 Fornos de Induo..............................................................................22 7.1.4 Forno de arco indireto .......................................................................23 8. Prtica de fuso..............................................................................................24 8.1 Fundio Centrfuga..................................................................................25 9. Concluso.......................................................................................................26 10. referncias Bibliogrficas..............................................................................28

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1. INTRODUOBronze so ligas de cobre nas quais o principal elemento de liga no zinco ou nquel. Originalmente,a denominao bronze foi utilizada para descrever ligas tendo estanho como nico, ou principal elemento de liga. Atualmente esse termo utilizado juntamente com principal elemento de liga que descreve a liga. Para ligas trabalhadas temos quatro famlias de bronze: Cobre-estanho-fsforo Bronze fosforoso; Cobre-estanho-chumbo-fsforo Bronze fosforoso ao chumbo; Cobre-alumnio Bronze alumnio e; Cobre-silcio Bronze ao silcio. Ligas cobre-estanho Bronze; Ligas cobre-estanho-chumbo Bronze ao chumbo e alto chumbo; Ligas cobre-estanho-nquel Bronze ao nquel-estanho e; Ligas cobre-alumnio Bronze alumnio.

Ligas fundidas tambm so classificadas em quatro famlias:

2. BREVE HISTRICO1O cobre foi primeiramente usado pelo homem a mais de 10.000 anos atrs. Um pendente de cobre, descoberto onde se localiza hoje o norte do Iraque, foi datado de 8700 a.C. Por aproximadamente cinco milnios o cobre foi nico metal conhecido para o homem, e desse modo tinha todas as aplicaes dos metais. Artefatos, decoraes e utilitrios primitivos de cobre desses tempos onde indubitavelmente o cobre nativo foi martelado. O cobre puro foi descoberto juntamente com minrio de cobre em pequenas regies em diversas partes do mundo. Por volta de 5000 a.C. a metalurgia na sua forma mais simples surgia, com a evidente existncia da fuso de simples minrios de xidos de cobre.1

Disponvel em www.copper.org

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Somente por volta 4000 a.C., o ouro apareceu como segundo metal para o homem. Em torno de 3000 a.C. a prata e o chumbo comeavam a serem usados como metais e iniciaram-se adies de elementos de ligas no cobre, primeiramente com arsnio e depois com estanho. Por muitos sculos o bronze reinou supremo, sendo usado para arados, ferramentas de todas as espcies, armamento, armaduras e objetos decorativos. Embora o cobre seja originrio da ilha de Chipre (Cyprus de onde vem seu nome), e de numerosos outros locais de centro-oeste, a origem do estanho no bronze ainda um mistrio. A idade do bronze terminou repentinamente por volta de 1200 a.C., com um colapso geral do mundo antigo e da interrupo das rotas internacionais de comrcio. A proviso de estanho em particular secou e a idade do ferro foi introduzida, no somente porque o ferro era um material superior, mas porque era vastamente disponvel. A deliberao de ligas de ferro-carbono para formar os primeiros aos aconteceram durante sculos.

3. ASPECTOS ECONMICOS DA PRODUO DE COBRE NO MUNDO3.1 Proviso de cobre primrio A produo mundial2 das minas de cobre nos ltimos anos mostrada na FIGURA 1. A FIGURA 1 revela uma tendncia positiva em relao produo mundial de cobre. De 1990 para 2001, a produo mundial de cobre primrio subiu de 12.000 short tons para 17.000 short tons3. A maior parte do cobre produzido no mundo provm da Amrica, principalmente devido produo do Chile e do Estados Unidos que so os maiores produtores de cobre do mundo. A importncia de cada continente em relao produo de cobre destacada na FIGURA 2, onde se observa que mais da metade do cobre produzido no mundo procede do continente americano.2

Os dados usados para a construo dos grficos esto nas tabelas em anexo 1. Disponveis Short ton Tonelada americana, correspondente a 2000 libras ou 907,18 Kg.

em www.copper.org3

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Produo Mundial de Cobre Primrio18000 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

COPPER CONTENT, thousands of short tons

Figura 1 Variao anual da proviso de cobre primrio no mundo. (Fonte International Copper Study Group; ABMS disponvel em http// www.copper.org).

Produo Global de Cobre no Mundo

100% 80% 60% 40% 20% 0% 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 COPPER CONTENT, thousands of short tons

Oceania sia Europa frica Amrica

Figura 2 Produo relativa de cobre no mundo. O continente americano responsvel por mais da metade da produo de cobre mundial. (Fonte: International Copper Study Group; ABMS disponvel em http// www.copper.org). O Brasil ainda est muito longe da produo de pases como Chile, Estados Unidos e Canad (principais produtores de cobre do continente americano), conforme mostra o grfico da FIGURA 3.

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Comparao entre Produes6000

5000

4000

3000

2000

1000

01990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001

Brasil

Canad

Estados Unidos

Chile

Figura 3 Comparao entre os principais produtores de cobre do continente americano mundial e o Brasil. (Fonte International Copper Study Group; ABMS disponvel em http// www.copper.org). A alta produo de cobre em pases como Chile, Estados Unidos e Canad, est relacionada s grandes reservas de minrio encontradas nestes pases. A produo de cobre no Brasil nos ltimos anos mostrada na FIGURA 4, onde se observa picos nos anos de 1988,1989 e 1995. Nos ltimos trs anos a produo se manteve aproximadamente estvel (pouco mais de 30.000 short tons).Produo de cobre no Brasil60 50 40 30 20 10 0

1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 COPPER CONTENT, thousands of short tons

Figura 4 Produo brasileira de cobre de 1981 at 2001. (Fonte International Copper Study Group; ABMS disponvel em http//www.copper.org). 6


4. FORNECEDORES DE BRONZE4.1 No Mundo Um mecanismo de busca, disponvel no site http//www.copper.org no link suppliers, acessa inmeras empresas norte americanas fornecedoras de quaisquer ligas de cobre desejada. As ligas de cobre so oferecidas sob forma de arames (wire), folhas finas (foil), vergalhes (rod), chapas (sheet), tiras (stripp), placas (plate) e tubos (pipe). A TABELA 1 relaciona algumas empresas fornecedoras de bronze e seus respectivos endereos.

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Tabela 1 Empresas especializadas em ligas de cobre. (fonte: disponvel no site www.copper.org) EmpresaFisk Alloy Wire, Inc.

EndereoP.O. Box 26Hawthorne NJ 07507 US Phone: (973) 427-7550Fax: (973) 427-4585 Web: www.fiskalloy.com 427 N. Shamrock East Alton IL 62024 US Phone: (618) 258-2000 Fax: (618) 258-3481 Email: [email protected] Web: www.olinbrass.com 240 East Aurora Street P.O. Box 550 Waterbury CT 06720 US Phone: (203) 754-0151 Fax: (203) 754-1016 Email: [email protected] Web: waterburyrollingmills.com P.O. Box 109 75 Liberty Street Ansonia CT 06401 US Phone: (203) 732-6600 (800) 521-1703 Fax: (203) 735-3787 Web: www.ansoniacb.com 185 Caldwell Ave. P.O. Box M Patterson NJ 07501 US Phone: (888) 532-9473 Fax: (973) 278-7345 70 Sayre Street P.O. Box 981 Buffalo NY 14240-098 US Phone: (800) 828-7426Web: www.outokumpu.com/copper/americas/index.html

Olin Corporation (Brass Division)

Waterbury Rolling Mills, Inc.

Ansonia Copper & Brass, Inc. (Ansonia Plant)

Little Falls Alloys, Inc.

Outokumpu American Brass

PMX Industries, Inc.

5300 Willow Creek Dr. SW Cedar Rapids IA 52404 US Phone: (319) 368-7700 Fax: (319) 368-7721Email: [email protected]/ [email protected] Web: www.pmxindustries.com

Ampco Metal Incorporated

1745 South 38th Street (Zip 53215) P.O. Box 2004 Milwaukee WI 53201 US Phone: (414) 645-3750 Fax: (414) 645-3225Email: [email protected] Web: www.ampcometal.com

Revere Copper Products, Inc.

24 North Front Street New Bedford MA 02740-732 US Phone: (508) 999-5601 Fax: (315) 338-2224Web: www.reverecopper.com

Outras empresas especializadas em perfis mais complexos de bronze so encontradas via sites de busca na Internet. 8


4.1.1 CONTIBRONZES - Fundio Contnua e Centrfuga S.A.4 Endereo: Rua da Estao n 10 e 12 - Sabugo 2715-128 Pro Pinheiro - Portugal Tel. +351 219623997 Fax. +351 219624679 Fundada em 1966, fabricante de Cavilhas, Casquilhos, Rodas de Coroa e outros perfis de Bronze por processos de Fundio Contnua e Centrfuga de alta velocidade. A empresa fornece peas acabadas conforme FIGURA 5.

Figura 5 Perfis de bronze produzidos pela empresa Contibronzes- Fundies Contnua e Centrfuga S.A. (Disponvel em www.contibronzes.com pagina oficial da empresa). 4.1.2 Anchor Bronze & Metals5 Anchor Bronze & Metals, Inc. - 11470 Euclid Avenue #509 - Cleveland, Ohio 44106 Fax: 419-818-1781- E-mail: [email protected] A empresa Anchor Bronze & Metals, Inc., especializada em ligas de cobre em fundio contnua e ligas de bronze de fundio centrfuga, peas completas de mquinas e fundio contnua de ferro em barras. A maioria das ligas de cobre est disponvel na Anchor bronze fundio centrfuga. Os produtos de bronze em fundio contnua, so disponveis em tubos, barras e chapas.4 5

Disponvel em www.contibronze.com Disponvel em www.anchorbronze.com

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4.2 No Brasil 4.2.1 Grupo Paranapanema (Eluma) O Grupo Paranapanema, controlado por um pool de fundos de penso liderados pela Caixa de Previdncia dos Funcionrios do Banco do Brasil - Previ, foi criado em fevereiro de 1996 com a incorporao de 73 empresas. A partir de sua constituio, a administrao buscou focar os negcios na produo de metais no-ferrosos, principalmente cobre, estanho e zinco. Em conseqncia dessa deciso, foram imediatamente fechadas 30 das 73 empresas que constituam inicialmente o Grupo. Com faturamento anual superior a R$ 1 bilho, o Grupo Paranapanema constitudo basicamente por trs grandes divises: Mamor (estanho e minerais industriais), Caraba (cobre e subprodutos), e Eluma (tubos e conexes de cobre e outras ligas). A Eluma uma das maiores produtoras brasileiras de semi-elaborados de cobre e suas ligas, com quatro unidades industriais, totalizando mais de 500 mil metros quadrados. Emprega grande contingente de colaboradores para atender os mercados de refrigerao, construo civil, eletroeletrnicos, automotivo, mecnicametalurgia e vesturio, entre outros setores importantes da economia. A Eluma atua no segmento de semi-elaborados de cobre e suas ligas, fabricando produtos extrudados - como tubos, barras e arames - e laminados, como bobinas, chapas e tiras. Tambm produz conexes de cobre e bronze. 4.2.2 Dubronze Aos e Metais Ltda. A Segunda gerao de uma formao que se iniciou em 1984 em So Paulo e que hoje, tem sua matriz com mais de 1200 m em Itaquaquecetuba SP. Especializada em bronze centrifugado, atuando com todas as ligas e medidas, tambm bronze Tm-23 e Tm-620.

5. CLASSIFICAO COBRE

E

NOMENCLATURA

DAS

LIGAS

DE

A classificao das ligas de cobre segue o sistema UNS. Esta classificao apresentada na TABELA 2. Neste sistema de designao, nmeros de C10000 a 10


C79999 so utilizados para ligas trabalhadas. Ligas fundidas so numeradas de C80000 a C99999. Tabela 2 Classificao do cobre e suas ligas de segundo o sistema UNS. Designao Famlia (ligas trabalhveis) C10100 C19999 Cobre (min. 99,3%Cu) e Ligas de Alto Cobre (min.96%Cu) C21000 C28999 Ligas cobre-zinco (lates amarelos) C30000 C39999 Ligas cobre-zinco-chumbo (lato ao chumbo) C40000 C49999 Ligas cobre-zinco-estanho (lato ao estanho) C50000 C52999 Ligas cobre-estanho-fsforo (bronze fosforoso) C53000 C54999 Ligas cobre-estanho-fsforo-chumbo (bronze fosforoso ao chumbo) C55000 C55299 Ligas cobre-fsforo e cobre-prata-fsforo (ligas para brasagem) C55300 C60799 Ligas cobre-prata-zinco C60800 C64699 Ligas cobre-alumnio (bronze alumnio) C64700 C66199 Ligas cobre-silcio (bronze ao silcio e lates ao silcio) C66200 C69710 Outras ligas cobre-zinco C70000 C73499 Ligas cobre-nquel C73500 C79999 Ligas cobre-nquel-zinco (Nquel prata) Designao Famlia (ligas fundidas) C8XXXX Cobre, ligas alto cobre, vrios lates, bronze ao mangans, e ligas Cu-Zn-Si C9XXXX Ligas Cu-Sn, Cu-Sn-Pb, Cu-Sn-Ni, Cu-Al-Fe, Cu-Ni-Fe e Cu-Ni-Zn As composies qumicas de diversas ligas de bronze esto em anexo.

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6. CARACTERSTICAS DAS LIGAS DE BRONZE6.1 Bronzes de Estanho (Ligas de Cu-Sn) So tambm denominados bronzes comuns. Para uma melhor compreenso do estudo do bronze comum faz-se necessrio um estudo do diagrama de equilbrio Cu-Sn representado na FIGURA 6. Pelo diagrama pode-se observar a presena das seguintes fases: Fase - Soluo slida, parcial, substitucional (CFC), branda e dctil, e presente em todas as ligas at 36% de Sn. Fase - Fase intermediria, soluo slida (CCC), com 24,6 de Sn, dureza maior que . Sofre decomposio eutetide a 586C em fases e . Fase - Fase intermediria, soluo slida (CFC), com aproximadamente 27% de Sn que , a 520C sofre tambm uma decomposio eutetide ( + ).

Figura 6 - Diagrama constitucional cobre-estanho. (Fonte: Coutinho, 1980). Fase - Composto intermetlico (CCC, complexo, composto eletrnico de

Cu31Sn8), duro e frgil, e quando com 32,5% de Sn pode-se decompor eutetoidemente , a 350C, em fases + , em esfriamentos extremamente lentos. 12


Fase - Fase intermediria pseudo hexagonal de composio varivel (36,5 a 38% de Sn) (Cu3Sn). Importante ainda ressaltar que as fases microestrutura dos bronzes esfriados lentamente. As fases e apresentam durezas elevadas. A fase obtida somente em resfriamentos muito lentos, fato que no se verifica em nenhum processo industrial, embora em experincias realizadas em laboratrio observou-se a decomposio de aproximadamente 10% de estanho.[Coutinho, 1980] O bronze comum utilizado principalmente em fundio de peas de configurao muito complexa (inclusive na moldao artstica), devido ao seu baixssimo valor de contrao. A contrao no bronze de estanho inferior a 1%, ao passo que os lates e o gusa atingem 1,5% e nos aos de 2%.[Gulhev, 1981] Outro fato importante que as estruturas dessas ligas de cobre ficam notavelmente longe do estado de equilbrio, isso porque o zonamento da fase , aliada baixa velocidade de difuso, podem ocasionar a presena da fase em bronzes at com 5% de estanho, quando esfriados em coquilhas, ou seja, quanto maior a velocidade de resfriamento maior ser a porcentagem dessa fase estrutura. Conforme mostra o diagrama, a ordenada de 14% de Sn, desde 520C, desloca-se para a esquerda at valores menores que 5% de Sn, segundo a velocidade de resfriamento, ligas com 1,3% de Sn a 200C, por exemplo, que teoricamente deveriam ser unicamente fase , apresentam tambm fase nos processos industriais, o que impossibilita o trabalho de conformao a frio.[Coutinho, 1982] O estanho contribui para o aumento da tenacidade e da plasticidade. Com 5% de estanho a plasticidade comea a decrescer. A resistncia ruptura comea a diminuir com 20% de estanho, ou seja, quando a estrutura da liga possui grande quantidade de fase slido, sendo por esse motivo largamente utilizado como ligas para chumaceiras como material anti-frico. 13 que a torna frgil. O bronze com 10%de estanho oferece uma elevada resistncia abraso devido a presena das incluses de eutetide na em + , a 350C e uma e no se apresentam na

microcontrao da fase , tornado-se a liga microporosa, mesmo para teores de


O bronze comum tambm oferece boa resistncia corroso sendo tambm utilizado como acessrios em diferentes sistemas de encanamento para fornecimento de vapor, gua, etc. O chumbo introduzido em quantidades de 3% -5%, para facilitar o trabalho do bronze com ferramentas de corte. Esse elemento de liga permanece no seio do bronze sob forma de incluses de chumbo que facilitam a quebra das aparas. O fsforo utilizado como desoxidante, pois este elemento contribui para a eliminao das incluses frgeis de xido de estanho (SnO), alm de aumentar a fluidez do metal fundido e, portanto, facilita as tarefas de filtragem em sua elaborao. Alm disso, o fsforo confere liga grande resistncia ao desgaste e dureza, propriedades que a tornam aplicvel no fabrico de engrenagens e argolas. Ligas com adio de 1% de fsforo tm o nome de Bronze de Fsforo. 6.2 Metalografias das ligas Bronze Estanho A FIGURA 7 mostra a micrografia de uma liga C90700 cuja nominal dada a seguir: Cu 88-90, Sn 10-12, Pb .50, Zn .50, Ni .50, P .30, Sb .20, Fe .15, S .05, Al .005 composio

Figura 7 Micrografia bronze estanho (liga C90700). Processamento: como fundido. Escala (comprimento da linha 50 micrometros). (Fonte: University of Florida Disponvel no site www.copper.org ) Pode-se observar na estrutura bruta de fuso o intenso zonamento da fase primria dendrtica de contornos escuros ricos em estanho.

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A FIGURA 8 mostra a micrografia da liga C93200 onde se observa incluses de chumbo. A composio qumica da liga dada abaixo: Cu 81-85, Pb 6-8, Sn 6.3-7.5, Zn 2-4, Ni 1.0, Sb .35, Fe .2, P .15, Al .15, Si .005

Figura 8 Micrografia da liga C93200. Escala a) comprimento da linha 125 micrometros, b) comprimento da linha 25 micrometros. Processamento: como fundido. (Fonte University of Florida, Disponvel no site www.copper.org) 6.2 Bronzes de Alumnio Bronzes de alumnio so ligas de cobre contendo no mximo 14% de alumnio, podendo ainda conter para os tipos industriais pequenas porcentagem de nquel, mangans, ferro entre outros, objetivando o refino da granulao com melhor resistncia corroso e trao. De acordo com o diagrama cobre-alumnio, mostrado na FIGURA 7, verifica-se a presena das seguintes fases: Fase - soluo slida, substancial, primria de alumnio no cobre (CFC), at 9,4% de alumnio em peso, branda dctil e trabalhvel a frio. Fase - soluo slida, com base em composto Cu3Al, (CCC), mais dura e menos dctil que a fase , apresentando decomposio eutetide, lamelar, para 11,8% de Al em peso a 560C, para + Fase 1 2.

presente acima de 780C para ligas acima de 13,6% de alumnio,

mais dura e menos frgil que a fase , raramente encontrada nas ligas usuais, similar a fase Fase 2 2

existente abaixo de 780C.

composto eletrnico (Cu9Al4) (CCC), muito dura e frgil, quebradia.

Os bronzes de alumnio contendo 5 10% de Al, possuem elevadas propriedades mecnicas e tecnolgicas, devido ao fato de cristalizarem em uma pequena faixa de temperatura, que permite uma maior fluidez mas com o revs de uma alta contrao. 15


Figura 9 Diagrama de equilbrio cobre-alumnio. (Fonte: Coutinho, 1980). Pode-se observar pelo diagrama acima a presena de um ponto eutetide com 11,8% de alumnio 565C, que torna ligas usualmente em torno de 10% de alumnio, susceptveis a tratamentos trmicos por tmpera e revenido, semelhante ao que ocorre nos aos. A adio de nquel, mangans e ferro tem por objetivo diminuir o tamanho do gro e melhorar as propriedades mecnicas e de resistncia corroso, podendo-se executar um tratamento de tempera e revenido para aumentar suas caractersticas. A FIGURA 9 mostra duas micrografias da liga C95400 com composio nominal de Cu 85,8; Al 10,2; Fe 4,0

Figura 10 Micrografia da liga bronze alumnio C95400. a) Processamento: fundida, recozida e resfriada no forno. Escala: comprimento da linha 50 micrometros. b) processamento: fundido, recozido a 621C e temperado com gua. Escala: comprimento da linha: 500 micrometros.

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6.3 Bronzes de Berlio A liga Cu-Be de grande importncia pois conforme mostra o diagrama de equilbrio da FIGURA 11, a liga com 2% de Be susceptvel ao endurecimento por precipitao. Em temperatura ambiente a solubilidade do berlio em cobre no ultrapassa 0,2%, mas atravs de um tratamento de tmpera a partir de 800C contribui para a fixao da soluo sobressaturada. Soluo , slida (CFC), dctil, com solubilidade mxima de 2,7% de Berlio 866C e 0,2% temperatura ambiente.

Figura 11 Diagrama de fase Cu-Be. (Fonte: Coutinho, 1980). 1, ou BeCu2 soluo slida acima de 605C (CCC), menos dctil e a que origina o eutetide (Cu + 2), com 6% de Berlio. 2, ou CuBe Soluo slida abaixo de 605C (CCC), relativamente dura. Podem ainda sofrer os seguintes tratamentos: Endurecimento por encruamento aps solubilizao, obtendo-se resistncia trao de 123 Kgf/mm2, alongamento de 6,5% e dureza HB 340. Envelhecimento artificial aps solubilizao, reaquecimento 325C e deformado duro apresentando resistncia trao de 140 Kgf/mm2, alongamento de 2% e dureza HB 365.

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6.4 Bronzes de Silcio O bronze ao silcio tem at quatro por cento desse elemento, que melhora a resistncia mecnica e corroso, ao mesmo tempo que facilita a soldagem. Emprega-se na fabricao de acessrios eltricos, eixos, roletes de turbina, correntes e, em geral, em todos os processos industriais que se desenvolvem em ambientes corrosivos. O diagrama de equilbrio cobre silcio mostrado na FIGURA 12 abaixo.

Figura 12 Diagrama de equilbrio cobre-silcio. (Fonte Metals Handbook, volume 9).

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7. PRODUO DO BRONZETemperaturas de fuso para ligas de cobre so consideravelmente mais altas que para ligas de alumnio, magnsio, zinco ou chumbo. A temperatura de vazamento para ligas de cobre freqentemente to alta quanto 2400 F ( 1315C). No estado lquido, ligas de cobre comportam-se muito semelhante s ligas ferrosas de densidade similar. Ligas de cobre fundidas so susceptveis a contaminao pelos refratrios como tambm pela atmosfera. Com exceo das ligas de cobre-berlio e cobre1%Cr, as ligas de cobre fundidas contm pelo menos 10% de adio de ligantes e freqentemente essas adies excedem 40%. Adies de ligantes possuem um marcante efeito na temperatura a qual o metal comea a fuso e na temperatura na qual a fuso est completamente terminada (temperatura slidus e liquidus).Temperaturas de incio e fim de fuso so dadas na TABELA 3 para oito das principais ligas de cobre fundida. Para quaisquer ligas de cobre, a temperatura de vazamento superior a temperatura lquidus. Tabela 3 Temperaturas de fuso das principais ligas de cobre fundidas. Liga Composio nominal 88Cu-6Sn-1,5Pb4,5Zn 80Cu-10Sn-10Pb 85Cu-5Sn-5Pb-5Zn 76Cu-2,5Sn-1,25Fe1,25Al-0,25 Mn 57,5Cu-39,25Zn-1,25 64Cu-4Sn-3Fe-5Al4Mn 64Cu-4Sn-8Zn-20Ni 81Cu-4Si-15Zn Temperatura, F, atm: Incio da Fuso (slido) Fim da fuso (Lquido) Fase cobre Fase Chumbo 1518 1403 1568 1527 1583 1625 2027 1510 588 598 601 607 1810 1705 1849 1748 1616 1693 2089 1683

7.1 Fornos de Fuso Fornos de fuso para ligas de cobre podem ser aquecidos por combusto ou aquecidos eletricamente. Eles so amplamente classificados em 4 categorias: Forno para cadinho, Forno de revrbero, Forno de induo (com ncleo ou sem ncleo), 19


Forno de arco indireto. A seleo de um forno depende principalmente da quantidade de metal a ser

fundida, do grau de pureza requerida e a variedade de ligas a serem fundidas. Eficincia Trmica o tamanho das instalaes para fuso feito em pequenos alojamentos e para aplicaes que no requerem um abastecimento contnuo de metal fundido. Fornos de cadinhos, forno de revrbero, forno de arco indireto e pequenos fornos revrberos so usados intermitentemente. Quando fornos so usados para fundir pequenas quantidades, grande eficincia trmica pode no ser exigida. Embora a eficincia trmica dos processos de combusto seja pouco comparvel ao aquecimento eltrico, nos combustveis os gastos so moderados. Potncia eltrica necessita ser baixa para competio com um custo bsico. 7.1.1 Fornos de Cadinhos Cadinhos para fuso por aquecimento por combusto so capazes de prover metais de alta qualidade com um investimento inicial relativamente baixo. Fornos de cadinhos esto disponveis em uma ampla faixa de tamanhos. Fornos de cadinho com iamento para fora Com um forno de cadinho com iamento para fora, o metal fundido no cadinho e ao final do ciclo de fuso, o cadinho alado para fora do forno (por meios de pinas) e usado como uma panela de fundio de vazamento. Eles so bem adaptveis para variaes de ligas, as quais podem ser produzidas com o uso de diferentes cadinhos. Eles so apropriados para operaes de seo de trabalho, para produo em pequenas quantidades e para operaes intermitentes. Custos de manuteno e requerimentos so mnimos. Porm esses fornos so inadequados para fuso de metal em altas quantidades devido s dificuldades de vazamento do cadinho, e eles no so adaptveis s operaes mecanizadas da fundio e os custos operacionais so relativamente altos. A vida til dos cadinhos curta por causa das extremas variaes de temperatura em que so expostos durante fuso e ciclos de vazamento. Fornos de cadinho com iamento para fora so disponveis em capacidades de 60 a 1200 Lb (27,21 a 544,31 Kg) de cobre, mas usualmente suas capacidades no excedem a 300 Lb (136 Kg). 20


Fornos de cadinhos inclinveis so disponveis em capacidades de 300 a 3000 Lb (136 a 1360 Kg) de cobre. Dois tipos so disponveis: aqueles que inclinam em um eixo ao bico vazador e aqueles que inclinam em um eixo central do forno. Uma vantagem do tipo eixo no bico vazador, que durante vazamento, o veio de metal fundido est em uma posio fixa, e com isto no necessrio mover a panela de fundio. Fornos com eixo-bico so usualmente inclinados hidraulicamente. Fornos com eixos centrais podem ter operao hidrulica, mas no necessria para pequenos fornos com capacidade inferior a aproximadamente 600 Lb (272,1 Kg). Uma vez que os cadinhos no so removidos dos fornos inclinveis, eles tm vida til maior do que os cadinhos que so iados para fora. Enriquecimento de oxignio Gases de combusto para fornos de cadinhos podem ser operados com enriquecimento de oxignio do ar fornecido. O curto tempo de fuso que resulta do completo enriquecimento de oxignio efetivo em oxidao decrescente do metal fundido. Com oxignio enriquecido, h um aumento na capacidade de fuso da Fundio, sem investimento adicional de capital, equipamentos ou espao. Oxignio enriquecido tem sido pesquisado somente experimentalmente. 7.1.2 Forno de revrbero Fornos de revrbero so fornos aquecidos por combusto com chama descoberta na qual a carga fundida por radiao das paredes e do telhado quentes e por conveco dos movimentos de gases quentes. Fornos de revrbero so disponveis em uma variedade de tamanhos e modelos. A faixa de capacidade varia de aproximadamente 50 Lb at algumas toneladas. Fornos de revrbero inclinveis so os tipos mais freqentemente usados para fuso de ligas de cobre na fundio. Estes tipos de fornos so carregados por assentamento da carga material no reservatrio. Os queimadores para um forno de revrbero inclinvel esto no mesmo lado que o exaustor. Esta caracterstica serve para aumentar a eficincia trmica, pois o calor dos gases do exaustor necessariamente retorna transversalmente a superfcie do fundido, o qual aumenta a quantidade de calor por conveco. 21


7.1.3 Fornos de Induo Fornos de Induo possui vantagens severas para fuso na Fundio de ligas de cobre. Tais fornos so de limpeza e controle fcil, no contaminando o fundido com produtos de combusto, e so extremamente flexveis em suas operaes. Caractersticas mantido eltricas (primeiramente a qualquer potncia de entrada), desejada podem para ser relacionadas diretamente quantidade de calor produzido. O fundido pode ser indefinidamente temperatura cargas aproximadamente abaixo de 10% da capacidade do forno avaliada. Agitadores eletromagnticos nesses fornos garantem homogeneidade na composio e uniformidade da temperatura. A principal desvantagem da fuso por induo o custo do forno. Um forno de induo com capacidade de 1000 Lb ( 453,6 Kg), custar de $30.000 a $40.000, comparado aos $1500 a $3000 para um forno de revrbero aquecido por combusto de capacidade equivalente. A manuteno do forno de induo no o principal item, mas manuteno tcnica especializada deve ser disponvel, se preciso, devido complexidade dos equipamentos eltricos. Fornos de induo em geral so de dois tipos: Com ncleo (calha), usado em potncias de baixas freqncias e, Sem ncleo, usado tanto para baixas freqncias como em altas freqncias. Correntes de baixa freqncia so usualmente freqncias lineares geralmente 60 ciclos por segundo. Correntes de alta freqncia so fornecidas por geradores, ou osciladores eletrnicos e faixas de freqncia de alguns milhares a muitos milhares de ciclos por segundo. Fornos com ncleo Em um forno de induo com ncleo um canal de metal fundido age tanto como um circuito eltrico secundrio acoplado como um transformador redutor. Calor do metal no circuito eltrico transferido para a carga acima. Fornos de ncleo so mais eficientes do que fornos sem ncleo para fuso de ligas de cobre. Por exemplo, 310 KWhr por tonelada necessrio em um forno com ncleo para fundir cobre enquanto um forno sem ncleo necessita apenas de 440 KWhr por tonelada. A grande desvantagem dos fornos de induo com ncleo, deve-se necessidade de manter metal fundido na soleira durante todo o tempo. Uma carga fundida deve ser fundida separadamente e colocada no forno para dar 22


incio ao processo de fuso. As vantagens econmicas do forno de induo com ncleo so melhores realizadas quando o forno operado mnimo por 16 hrs por dia. Extrema prudncia deve ser exercida na operao de fornos de induo com ncleo devido a queimaduras por intermdio da calha que pode danificar o enrolamento primrio. Geralmente, termopares so embutidos no canal refratrio para detectar queimaduras incipientes. Fornos sem ncleo - Nos fornos de induo do tipo sem ncleo, o cadinho que contm a carga envolvida pela bobina de induo e a carga ou o cadinho agem como circuito secundrio. Fornos de induo sem ncleo so disponveis como drop-coil unidades, na qual a bobina posicionada envolta do cadinho durante fuso. Aps a fuso so erguidas como uma unidade e o cadinho usado como panela de fundio de vazamento. Fornos de induo sem ncleo so disponveis tambm como tipos inclinveis no qual o cadinho est permanentemente instalado. 7.1.4 Forno de arco indireto Fornos de arco indireto podem ser usados para fuso de alta produo. Um forno de arco indireto tem forma de barril um eixo horizontal. Um eletrodo de grafite introduzido em cada terminal do forno, sendo que um eletrodo fixo e o outro mvel. Um arco fechado entre os dois eletrodos ao centro. O calor transferido para carga por radiao direta do arco eltrico, por radiao refletida do revestimento e por conduo da carga fundida como lavagem acima do refratrio aquecido. Como a energia do arco deve ser transferida para a carga e paredes do forno por radiao atravs de um arco em temperatura extremamente alta, h um problema de vaporizao dos constituintes de liga e dificuldades no controle de temperatura da fuso. Fornos de arco indireto so agitados durante ciclo de fuso. Esses balanos promovem fuses rpidas, produzindo uma fuso mais homognea e minimizando desgaste dos refratrios. O forno montado sobre rolos e agitado mecanicamente por um eixo horizontal. O ngulo do balano pode ser variado se necessrio, de acordo com a locao de bica de vazamento e a altura do metal fundido no forno. O forno inclinado (no mesmo eixo no qual balanado), para vazamento. 23 continuamente no


Forno

de

arco

indireto

necessita

manuteno

mecnica

e

eltrica

especializada, alm de conhecimentos de fundio. Instalaes de refratrios e custos de manuteno so elevados. Com uma boa manuteno, os revestimentos dos fornos podem ser usados indefinidamente por conserto de reas desgastadas ou avariadas, embora revestimentos peridicos so economicamente vantajosos. Um forno de arco indireto extremamente verstil, visto que pode-se usar uma carga de 100% de aparas de furagem a 100% de lingotes, e isto pode ser operado a uma capacidade maior do que a avaliada se a carga adicional somada aps progresso da fuso. Fuso de bronze alumnio em fornos de arco indireto no recomendvel devido formao excessiva de escria. Ligas de alto zinco so susceptveis a perda de zinco por volatilizao.

8. PRTICA DE FUSOBoa prtica de fuso requer rapidez no somente para reduo de custos, mas tambm para minimizar contaminao da atmosfera e vaporizao de elementos de liga volteis (particularmente o zinco). O processo de fuso deve ser reproduzido de corrida para corrida. O peso da carga deve ser corretamente determinado, temperatura do forno e tempo de carregamento devem ser controlados. A potncia de entrada ao forno deve ser fixada, e a atmosfera acima da fuso deve ser controlada. Se estas variveis forem controladas, o tempo necessrio para fuso e aquecimento at temperatura desejada permanecer igual de corrida para corrida, e perdas de zinco ou outro elemento voltil permanecer constante e podem ser recompensados durante processo. Nos fornos revrberos aquecidos gs, a razo de gs para ar deve ser controlada de perto, de modo que a oxidao desejada ou a atmosfera reduzida seja mantida. Antes de ser carregado, o forno deve ser limpo de escrias e ser esvaziado (exceto para soleiras necessrias nos fornos de induo do tipo com ncleo). Fornos aquecidos por combusto devem ser aquecidos at ficarem rubros, antes de serem carregados.

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Fundentes nem sempre so necessrios na fuso de ligas de cobre (exceto ligas contendo alumnio). Entretanto, desde que pequenas quantidades de sujeiras presentes na carga so inevitveis, alguns fundentes so usualmente adicionados para limpeza. Um fundente tpico consiste de 3 lb de brax andrico e 1 lb de slica por 100 lb de carga. Comumente vidro em p, disponvel comercialmente como um fluxante, produz uma escria similar mistura brax slica. Ancinhos, bastes agitadores e outras ferramentas para operaes de fuso so feitos de ferro, desde que ferro seja aproximadamente insolvel nas ligas de cobre fundido e que a contaminao desprezvel possa ser tolerada. Alguns fundidores preferem ferramentas feitas de ferro trabalhado. Algumas escrias podem ser permitidas para entrada e recepo da panela de fundio durante esvaziamento. A escria promove uma cobertura de proteo enquanto o material transportado para operao de vazamento. Idealmente, a escria basculada completamente do forno durante operao de vazamento. indesejvel permitir formao de escria no forno, pois atacam os refratrios, necessitando consertos ou revestimentos mais freqentes. Nos fornos revrberos escria acumulada podem ser em parte eliminadas por uso de atmosfera redutora nos fornos. Algumas dificuldades podem ser encontradas na fuso baixas freqncias de ligas de cobre contendo alumnio, magnsio, silcio, ou grande quantidade de chumbo. O ltimo elemento pode tapar os canais ou penetrar no revestimento refratrio. Os primeiros trs elementos podem ser responsveis pela formao do filme aderente de xido, criando metal inerte e causando filmes indesejveis que se depositam nas paredes dos dutos e dos fornos.[Raudebaugh, 1952] 8.1 Fundio Centrfuga Peas de formas obtidas pelo mtodo de fundio centrfuga usualmente exibem melhores propriedades do que peas produzidas por fundio esttica. O processo consiste da montagem do molde sobre uma placa capaz de rotacionar abaixo de velocidades controladas. A posio do molde deve ficar de tal maneira que o eixo longitudinal seja o eixo de rotao. O eixo molde pode ser horizontal, vertical ou alguns ngulos intermedirios conforme desejado. Quando em posio, o molde coberto com uma placa com um pequeno orifcio cujo centro 25


concntrico com o eixo molde. Com o molde girando, metal fundido introduzido uma taxa controlada, diretamente pelo orifcio da placa de cobertura. A velocidade de rotao controlada para exercer a magnitude desejada da fora centrfuga. A fora mantida usualmente bastante constante, para todas peas fundidas, a velocidade de rotao varia inversamente com a raiz quadrada do dimetro interno da pea a ser fundida. Metal fundido introduzido dentro do molde com a mxima rapidez possvel, a taxa de vazamento empregada maior do que a usada pelo mtodo convencional de fundio esttica para produo de peas de mesmo tamanho. Moldes de ferro fundido ou ao so particularmente bem adaptveis para produo de quantidade. Refratrios com camadas de sprays so recomendados quando bronze estanho est para ser fundido em moldes de ferro cinzento. Moldes de areia seca so freqentemente usados na confeco peas ou objetos grandes, particularmente onde limite de produo envolvido. Pronunciada segregao, especialmente nos casos de ligas contendo chumbo, podem ser encontradas em peas fundidas de seo pesada produzidas em tais moldes. Propriedades mecnicas de ligas de cobre produzidas por fundio centrfuga em moldes de areia seca podem fluir at 10% melhor do que peas equivalentes produzidas por fundio esttica em areia. Fundio centrfuga em moldes de metal podem apresentar uma melhora de at 30% nas propriedades fsicas. O rendimento pelo processo centrfugo muito alto (90%), desde que canais de alimentao e massalotes no sejam empregados [Raudebaugh, 1952].

9. CONCLUSOComo foi explicado no item 2 desse trabalho, o bronze teve importante contribuio na histria da humanidade, uma vez que desde armas, utenslios domsticos e obras artsticas produzidas, eram de bronze estanho. Na chamada Era do Bronze essa liga ocupava um papel importante, hoje assumido pelo ao . Com o avano dos novos conhecimentos e a crescente escassez do estanho, o 26


bronze foi sendo substitudo cedendo lugar a novos materiais. Porm, ainda hoje amplamente empregado devido a sua boa resistncia corroso e ao desgaste. O trabalho contribuiu para enriquecer os conhecimentos sobre essas ligas de cobre, quanto classificao, propriedades, aplicaes e produo.

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REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

1. COUTINHO, T.A. Metalografia de No Ferrosos Anlise e Prtica. Editora Edgar Blcher Ltda. 1 Edio. So Paulo SP, 1980. 2. GULHEV, A.P. Metais e suas Ligas. Volume 2. Editora Mir. Moscou 1981. 3. RAUDEBAUGH, R.J. Nonferrous Phisical Metallurgy. Pitmam Publishing Corporation, 1 Edio. Londres, 1952 4. ASM ENGINEERING BOOKSHELF. Source Book On Copper And Copper Alloys. Printed in the United States of America. 5. AMERICAN FOUNDRYMENS SOCIETY. Casting Copper Base Alloys. Des Plaines, Illinois1984. 6. Metals Handbook, Volume 9. ASM. 2 Edio Pesquisa na Internet. 7. www.copper.org 8. www.contibronzes.com 9. www.anchorbronze.com

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56207322 Ligas de Cobre Bronze