Cobre e Suas Ligas

Aula 5 Aula 5

Cobre e suas ligasCobre e suas ligasCobre e suas ligasCobre e suas ligas

Cobre e suas ligasCobre 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.

BREVE HISTRICO

2

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.


COBRE E SUAS CARACTERSTICAS no magntico temperatura de fuso = 1083 C elevada resistncia a corroso e oxidao excelente condutiv. trmica e eltrica

3

excelente condutiv. trmica e eltrica excelente soldabilidade elevada dutilidade - excelente trabalhabilidade razovel resistncia mecnica - 50 a 450 MPa ampla 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 COBRE

Aproximadamente 400 milhes de ton.

Maiores produtores:- Chile

4

- Chile- EUA- Canad- Zmbia- Brasil


PRODUO MUNDIAL DE COBRE

5

Cobre e suas ligasCobre e suas ligasCONSUMO MUNDIAL DE COBRE

6


BENEFICIAMENTO DO COBRE

1. Extrao do minrio (Em geral sulfetos de cobre)2. Triturao e moagem3. Flotao (ou concentrao)

7

3. Flotao (ou concentrao)4. Obteno do mate5. Obteno do cobre blster6. Refino


BENEFICIAMENTO DO COBREExtrao do minrio e triturao

8



9

Flotao (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


10

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 COBREObteno do Mate (Forno revrbero)

11

Mate35 a 55% de cobre


BENEFICIAMENTO DO COBREObteno do Blster (conversores)

Blster99,5%

Conversor

12

99,5% de Cobre

Oxida-se o ferro, fazendo-o se ligar

com a slica formando a escria



REFINO DO COBRE

Cobre 99,9%

de CobreRefino

Trmico

13

Placa para o refino

de CobreTrmico

Refino Eletroltico

Cobre 99,99%

de Cobre


BENEFICIAMENTO DO COBREREFINO ELETROLTICO DO COBRE

14


CARACTERSTICAS DO COBRE(CFC)

15


MICROESTRUTURA COBRE NO LIGADO

16


Classificao do Cobre no ligado- de acordo com o teor de oxignio :

cobre eletroltico tenazcobre isento de oxigniocobre desoxidado com fsforo

COBRE NO LIGADO

17

cobre desoxidado com fsforo

Propriedades Mecnicas- no estado recozido ou trabalhado a quente

LR = 50 a 80 MPa Alongamento = 48 a 35%- no estado encruado

LR = 180 a 350 MPa Alongamento = 30 a 6%


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

18

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 equipa-

APLICAES INDUSTRIAIS DO COBRE NO LIGADO

19

Cobre isento de oxignio (Cu OF) - em equipa-mentos eletro-eletrnicos, devido sua maior conformabilidade.

Cobre desoxidado com fsforo, de baixo teor em fsforo (Cu DLP) - utilizado em tubos que conduz fluidos.


1. Fios e Cabos Eltricos - Cobre Eletroltico (baixo % de impurezas)

2. Canalizao Instalaes de gua Quente e Gs

APLICAES GENRICAS DO COBRE

20

Gs3. Coberturas4. Trocadores de calor5. Decorativo (Moedas)


APLICAES AUTOMOTIVAS

Radiadores; Componentes de freio; Bico injetor; Elementos de suspenso.

21

Elementos de suspenso.


APLICAES ELTRICAS Fios eltricos; Bobinas; Conectores; Motores;

22

Motores; Circuitos integrados;


APLICAES INDUSTRIAIS

Tubos; Trocadores de calor;

23

Conexes; Rolamentos.


- Estatuas;- Torres;- Estruturas submetidas

atmosferas agressivas;

APLICAES EM CONSTRUES

24

atmosferas agressivas;

Torre de cobre Minneapolis City HallEsttua da Liberdade Nova York

81,3 toneladas de cobre


APLICAES - MOEDAS

25


EFEITO DAS IMPUREZAS NA C

26

IMPUREZAS NA CONDUTIVIDADE E

LTRICA


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.

CUSTO X BENEFCIO

27

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.


Liga cobre-arsnico desoxidado com fsforo - 0,013 e 0,050% Arsnico, melhorar as propriedades mecnicas a temperaturas elevadas e a resistncia corroso

Liga cobre-prata tenaz- 0,02 a 0,12% de Prata, confere maior resistncia mecnica e resistncia fluncia.

COBRE - BAIXO TEOR DE ELEMENTOS DE LIGA

28

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.


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

29

Cobre e suas ligasCobre e suas ligasNOMENCLATURA DAS LIGAS DE COBRE

Ligas TrabalhadasC1xx - Cu puro ( >99,3%)

Ligas elev. Cu (99,3 a 96%)C2xx - Ligas Cu-Zn (Lato)

Ligas FundidasC8xx - Cobre fundido

Ligas fundidas com elev. CuLato fundido de vrios tiposBronze fundido de vrios tipos

De acordo com CDA - Copper Development Association

30

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

Bronze fundido de vrios tiposC9xx - Ligas fundidas Cu-Sn

Ligas fundidas Cu-Sn-PbLigas fundidas Cu-Sn-NiLigas fundidas Cu-Al-FeLigas fundidas Cu-Ni-Fe

101 - 99.99%Cu120 - 99.9%Cu122 - 99,90Cu-0.02P

210 - 95.0Cu-5.0Zn260 - 70.0Cu-30.0Zn464 - 60Cu-39.25Zn-0.75Sn694 - 81.5Cu-14.5Zn-4.0Si


LATO

31

LATO


LATO: cobre + zinco

u Zinco: 5% - 45%u o zinco confere maior ductibilidade, porm com o Zn

tem-se uma nova fase mais frgil que torna o lato

32

tem-se uma nova fase mais frgil que torna o lato menos conformvel;

u adio de estanho ou alumnio aumenta resistncia a corroso por gua do mar;

u uso: moedas, medalhas, bijuterias, radiadores de automveis, componentes estampados e conformados, etc.


LATO Caractersticas (vs ao)u Boa usinabilidade;u Excelente resistncia corroso ( geralmente a 1

escolha...);u Boa condutividade eltrica e trmica;

33

u Boa condutividade eltrica e trmica;u Resistncia ao desgaste razovel;u Colorao interessante (decorativo)u Facilidade de se fazer acabamento finalu Boa soldabilidadeu Higiene (propriedades anti-bactericidas)


LATO

34


LATO

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

35

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


Microestrutura do Lato

36

Lato comercial 90%Cu-10%Zn

75X

Lato comercial 70%Cu-30%Zn

recozido - cartucho

75X


LATO

1. A resistncia mecnica e o alongamento aumentam com o aumento do % de Zn at 30%

2. Estas ligas tm boa aptido para conformao a frio

37

3. Acima de 500 C a maleabilidade reduzida4. Endurecem fortemente por deformao (encruamento)5. Boa resistncia corroso em guas salinas.


Microestrutura do Lato + fase

(escuro)

fase (claro)

fase

fase

38

Lato 60%Cu-40%Zndendritas matriz

Lato 60%Cu-40%ZnMetal Muntz

estado bruto de fuso

estadotrabalhado a quente

75X 75X


Dureza178 HK Dureza

185 HK

Microestrutura do Lato + (Metal Muntz)

39

fase (escuro)

fase (claro)

Cu + 40%Zn


Lato +

1. Nesta fase a resistncia mecnica aumenta, mas o alongamento diminui com o aumento do % de Zn

2. A temperatura ambiente a fase mais dura que a

40

2. A temperatura ambiente a fase mais dura que a fase

3. O Lato + pouco conformvel a frio4. Acima 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

41

Aumento 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

42


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

%Zn Descrio da cor

43

> 5% Cor vermelha do cobre5% a 20% Diferentes tons de dourado

30% Lato amarelo

40% Amarelo claro

+ Mn Lato com tonalidade bronze

+ Al Lato com tonalidade prateada


LATO Adio de outros elementos de liga

1. Melhorar usinabilidade

Adiciona-se outros elementos de liga ao Lato principalmente devido s seguintes razes:

44

1. Melhorar usinabilidade2. Melhorar resistncia mecnica3. Melhorar resistncia ao desgaste4. Melhorar resistncia corroso


LATO Outros elementos de liga

Pb 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 salinos

45

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 TRMICOS

Recozimento para alvio de tensesT = 300 C / 1h

Recozimento para recristalizaoUsado para permitir subseqentes deformaes

46

Usado para permitir subseqentes deformaes plsticas

Recozimento para homogeneizaoAps solidificao pode-se fazer recozimento para homogeneizao (600 a 650 C)

Precipitao (tmpera)Ligas Cu-Zn40 (+) Aquecimento acima de 600 C


LATO APLICAES

Lates Destinam-se especialmente a laminao a frio, estiramento,

fabricao de tubos, etc..

47

- Liga Cu-Zn5 Medalhas, moedas, objetos decorativos- Liga 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 APLICAES

Lates + Destinam-se especialmente a

extruso, estampagem a quente.

48

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 ao

- Se adicionarmos o custo do material + o custo de produo das peas (near-net-shape) = aplicao do lato pode ser vantajosa;

49

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...


50


Custo do materialPr-usinagem

51

Pr-usinagemFresamentoFurao e RosqueamentoRevestimentoTotalTotal economizado


LATO PERFIS EXTRUDADOS

52



53



54


LATO OUTRAS APLICAES

55


LATO OUTRAS APLICAES

56


BRONZE

57

BRONZE


BRONZE: cobre + estanhou Nos bronzes comerciais o teor de estanho varia de 2 a 12%u medida que aumenta o teor de estanho, aumentam a dureza

e as propriedades relacionadas com a resistncia mecnica, sem queda da ductilidade

58

u Frequentemente adiciona-se chumbo para melhorar as propriedades lubrificantes das ligas, alm da usinabilidade.

u Os bronzes possuem elevada resistncia corroso, o que amplia o campo de seu emprego.

u 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%

Bronze

59

- Amarelo 15 a 25%- Branco > 25%

Emprego do Bronze - Aplicaes: tubos flexveis, torneiras, varetas de soldagem, vlvulas, buchas, engrenagens, Vlvulas, Registros, Esculturas, Sinos..


BRONZE DIAGRAMA DE FASE (Cu-Sn)

60


- 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)

BRONZE FASES

61

(molas)- Fase + - Boas caractersticas autolubrificantes devido

a presena de matriz plstica e precipitados duros

- Fase + - Difcil laminao, Deformveis quente ou aps tratamento de recozimento

- Fase Ocorre somente quando o material resfriado muito rapidamente (%Sn entre 10-20%)


- Melhoram at 13% de Sn

- Acima de 13% as ligas tornam-se mais frgeis devido a presena da fase

BRONZE PROPRIEDADES MECNICAS

62

- A medida que aumenta o % Sn aumentam a dureza e a resistncia mecnica sem perder ductilidade

- Frequentemente adiciona-se chumbo para melhorar a usinabilidade e melhorar as propriedades anti-frico


BRONZE Ligas mais comuns- Bronze trabalhvel

- Contm de 1,25 a 10% de Sn (fase com prec. ) tambm conhecidos como bronze fosforoso por terem 0,1% P

- O fsforo forma Cu3P que acaba aumentando a resistncia mecnica do bronze

63

mecnica do bronze

- A resistncia mecnica e a corroso do Bronze maior que a maioria dos Lates

- Bronze para fundio

- Mais que 10% de Sn no bronze faz a liga se tornar no conformvel

- Para ligas fundidas tem-se at 16% de Sn usadas principalmente para buchas de alta resistncia e engrenagens.


BRONZE MICROESTRUTURA

64


Microestrutura


65

Microestrutura dentrtica do

Bronze fundido(Cu 5%Sn)

Barra na foto 200 m


Microestrutura


66

Microestrutura dentrtica do

Bronze fundido(Cu 10%Sn

0,5%P)

Ampliao 100x


BRONZE - APLICAES

- Ligas 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,

Autolubrificao e resistncia a corroso so as prorpiedades que levam a maioria de suas aplicaes

67

- 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 salinas

- Acima de 20% - Sinos, para formao do intermetlico Cu31Sn8 (fase ), melhoram a sonoridade da liga.


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, para-fusos,

BRONZE OUTRAS LIGAS TPICAS

68

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 - APLICAES

69


BRONZE - ANLISEMICROESTRUTURA

Sn 3,1%Zn 9,9%

ANLISE QUMICA

70

Zn 9,9%Pb 5,3%Al 0,6%Cu bal.


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

71

Sn 4,0%Zn 10,0%Pb 0 %Al 0,4%Cu bal.


COMPARAO BRONZE E LATO

Caractersticas/Material

Bronze Lato

ComposioBsica

Cobre + Estanho Cobre + Zinco

72

Bsica

Custo Mais caro que olato

Mais barato que obronze e mais caroque o ao

TratamentosTrmicos maisutilizados

Recozimento;Tmpera

Recozimento pararecristalizao; paraalvio das tenses;Tmpera


LIGA COBRE ALUMNIO

73

LIGA COBRE ALUMNIO


u Cobre Alumniou alumnio: at 10%u uso: peas para embarcaes, trocadores de

calor, evaporadores, solues cidas ou salinas

LIGA COBRE ALUMNIO

74

calor, evaporadores, solues cidas ou salinas

O Fe melhora o limite de elasticidade e o Mn melhora a fluidez da liga no estado lquido


COBRE ALUMNIO FASES

75


- Fase - Resistncia mecnica cresce com o aumento do teor de Al. Endurecem por deformao a frio. So facilmente conformveis a frio e a quente.

COBRE ALUMNIO FASES

76

- Fase + 2 Resistncia mecnica maior que a fase alfa. Conformao a quente. Boa resistncia a corroso.


COBRE ALUMNIO MICROESTRUTURA

77

Cu 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 gua

Microestrutura martenstica


- Ligas de 5 a 7%Al Tubos e trocadores de calor

- Ligas de 9 a 10%Al instrumentos eltricos, recipientes

COBRE ALUMNIO APLICAES

78

- Ligas de 9 a 10%Al instrumentos eltricos, recipientes para substncias cidas e alcalinas;

- Liga 9%Al3%Fe12%Mn (Liga superstone) alta resistncia ao impacto


CUPRONQUEL

79

CUPRONQUEL


CUPRONQUEL - Caractersticas

u O Nquel totalmente dissolvido no cobre;u O %Ni varia de 5 a 50%u Ligas muito dcteis com excelente resistncia corroso

80

u Ligas muito dcteis com excelente resistncia corrosou Acima de 10%Ni a liga apresenta cor brancau Boa conformabilidade facilidade em transform-las em

chapas, tiras, fios, etc..u Boa soldabilidadeu A adio de Ni ao cobre aumenta a resistncia mecnica,

resistncia corroso e oxidao da liga.


CUPRONQUEL FASESComo as ligas Cu-Ni so totalmente miscveis no estado slido temos somente a fase alfa.

81

- Fase - Estrutura (CFC), peso especfico de 8,94 g/cm3 para 32,2%Ni.


- 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.

CUPRONQUEL APLICAES

82

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.


- Ligas com 10%Ni Tubos

- Ligas com 20%Ni medalhas, moedas, tubos de condensao e fabricao de resistores

CUPRONQUEL APLICAES

83

- Ligas com 30%Ni Construo naval e indstria qumica

- Liga 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

84


- Recozimento

- Realizado a 550 690 C e nunca alm de 800C

CUPRONQUEL TRATAMENTOS TRMICOS

85

- Realizado a 550 690 C e nunca alm de 800C


ALPACAS

86

ALPACAS


u Tambm conhecida como prata de nquelu zinco: 17% - 27%u nquel: 8% - 18%

ALPACAS Cu + Ni + Zn - Caractersticas

87

u nquel: 8% - 18%u uso: chaves, equipamentos de telecomunicaes,

decorao, relojoaria, componentes de aparelhos ticos e fotogrficos, etc.

u so facilmente confundidas com a prata devido a sua colorao

u Conforme aumenta-se o %Ni a colorao das alpacas muda de marfim para prateado


ALPACAS Cu + Ni + Zn - Microestrutura

88

Fase alfa


ALPACAS APLICAO

89


LIGAS DE COBRE MOEDAS BRASILEIRAS

90

Fonte: Casa da moeda do Brasil


ALPACAS APLICAO

91

Fonte: Casa da moeda do Brasil

Documents

Cobre e Suas Ligas