Cobre e suas ligas ProIn II – Mecânica Industrial

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1 Cobre e suas ligas ProIn II – Mecânica Industrial
CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE SANTA CATARINA UNIDADE DE ENSINO DE FLORIANÓPOLIS DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE METAL MECÂNICA - DAMM Cobre e suas ligas ProIn II – Mecânica Industrial Prof. Henrique Cezar Pavanati, Dr. Eng

2 BREVE HISTÓRICO A palavra COBRE deriva do termo “aes cyprium”, que significa metal proveniente da Ilha de CHIPRE, onde foi descoberto em estado natural durante a Antigüidade, mais tarde conhecido como “cuprum”, palavra latina que deu origem ao símbolo Cu. O cobre é um dos metais mais antigos da civilização mundial, datando seus primeiros usos desde anos a.C. Marcou a história com a Idade do Bronze (Cobre + Estanho) e o domínio de posse e tecnologia do cobre representava nos povos da época riqueza e poder. O cobre é um metal de transição avermelhado, que apresenta alta condutibilidade elétrica e térmica, só superada pela da prata.

3 COBRE E SUAS CARACTERÍSTICAS
não magnético temperatura de fusão = 1083 ºC elevada resistência a corrosão e oxidação excelente condutiv. térmica e elétrica excelente soldabilidade elevada dutilidade - excelente trabalhabilidade razoável resistência mecânica - 50 a 450 MPa ampla aplicação das ligas de Cu (bronze, latão) produzido a partir do minério e de sucata % de Cobre na crosta terrestre = 0,007%

4 RESERVAS MUNDIAIS DE COBRE
Aproximadamente 400 milhões de ton. Maiores produtores: - Chile - EUA - Canadá - Zâmbia - Brasil

5 PRODUÇÃO MUNDIAL DE COBRE

6 CONSUMO MUNDIAL DE COBRE

7 BENEFICIAMENTO DO COBRE
Extração do minério (Em geral sulfetos de cobre) Trituração e moagem Flotação (ou concentração) Obtenção do “mate” Obtenção do cobre “blíster” Refino

8 BENEFICIAMENTO DO COBRE Extração do minério e trituração

9 BENEFICIAMENTO DO COBRE Flotação (ou concentração)
Obs.: sai em torno de 1% do material que entrou

10 BENEFICIAMENTO DO COBRE
Sulfeto de cobre concentrado (15 a 30% de cobre) Forno de revérbero (Reverberatory Furnace) Sulfeto de cobre parcialmente reduzido (35 a 55% Cu) + escória Conversor de Cobre (injeção de ar no mate) Cobre oxidado (Blíster) (98% a 99,5%Cu) + escória Cobre Tenaz – Tough Pitch Copper (99,9%Cu) Forno de refino Refinamento Eletrolítico Cobre Catodo (99,99%Cu)

11 BENEFICIAMENTO DO COBRE Obtenção do Mate (Forno revérbero)
Mate 35 a 55% de cobre

12 BENEFICIAMENTO DO COBRE Obtenção do Blíster (conversores)
Blíster 99,5% de Cobre Oxida-se o ferro, fazendo-o se ligar com a sílica formando a escória

13 BENEFICIAMENTO DO COBRE
REFINO DO COBRE Cobre ,9% de Cobre Refino Térmico Placa para o refino Cobre ,99% de Cobre Refino Eletrolítico

14 BENEFICIAMENTO DO COBRE REFINO ELETROLÍTICO DO COBRE

15 BENEFICIAMENTO DO COBRE
VIDEO HDTDI (303) 9:48

16 CARACTERÍSTICAS DO COBRE
(CFC)

17 MICROESTRUTURA COBRE NÃO LIGADO

18 LR = 50 a 80 MPa Alongamento = 48 a 35%
COBRE NÃO LIGADO Classificação do Cobre não ligado - de acordo com o teor de oxigênio : cobre eletrolítico tenaz cobre isento de oxigênio cobre desoxidado com fósforo Propriedades Mecânicas - 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%

19 CARACTERÍSTICAS DO COBRE NÃO LIGADO
Resistência à corrosão: o cobre e a maioria de suas ligas comerciais são levemente oxidadas em atmosferas secas ou úmidas, permitindo o seu emprego direto. Resistência elástica à compressão: capacidade de sofrer compressão sem ocorrer deformação permanente. Soldabilidade: as peças fabricadas com ligas de cobre são unidas mediante soldagem e/ou brasagem. Bom condutor de calor: por ter baixa resistividade térmica e boa resistência à corrosão, é aplicado em trocadores de calor.

20 APLICAÇÕES INDUSTRIAIS DO COBRE NÃO LIGADO
Cobre eletrolítico tenaz (Cu ETP) - onde se exige alta condutibilidade elétrica e boa resistência à corrosão. Ex. linhas telefônicas. Cobre isento de oxigênio (Cu OF) - em equipa- mentos eletro-eletrônicos, devido à sua maior conformabilidade. Cobre desoxidado com fósforo, de baixo teor em fósforo (Cu DLP) - é utilizado em tubos que conduz fluidos.

21 APLICAÇÕES GENÉRICAS DO COBRE
Fios e Cabos Elétricos - Cobre Eletrolítico (baixo % de impurezas) Canalização – Instalações de Água Quente e Gás Coberturas Trocadores de calor Decorativo (Moedas)

22 APLICAÇÕES AUTOMOTIVAS
Radiadores; Componentes de freio; Bico injetor; Elementos de suspensão.

23 Circuitos integrados;
APLICAÇÕES ELÉTRICAS Fios elétricos; Bobinas; Conectores; Motores; Circuitos integrados;

24 APLICAÇÕES INDUSTRIAIS
Tubos; Trocadores de calor; Conexões; Rolamentos.

25 APLICAÇÕES EM CONSTRUÇÕES
- Estatuas; - Torres; - Estruturas submetidas atmosferas agressivas; Estátua da Liberdade – Nova York 81,3 toneladas de cobre Torre de cobre – Minneapolis City Hall

26 APLICAÇÕES - MOEDAS

27 EFEITO DAS IMPUREZAS NA CONDUTIVIDADE ELÉTRICA

28 CUSTO X BENEFÍCIO Existem alguns fatores que contribuem para a redução de custos em componentes de cobre: Tolerâncias 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 fácil trabalhabilidade do metal indica que os custos de produção podem ser minimizados. A boa resistência à corrosão significa que os custos com acabamentos para proteção são menores do que para muitos outros materiais.

29 COBRE - BAIXO TEOR DE ELEMENTOS DE LIGA
Liga cobre-arsênico desoxidado com fósforo - 0,013 e 0,050% Arsênico, melhorar as propriedades mecânicas a temperaturas elevadas e a resistência à corrosão Liga cobre-prata tenaz- 0,02 a 0,12% de Prata, confere maior resistência mecânica e resistência à fluência Aplicação na indústria elétrica (bobinas) Liga cobre-cromo (CuCr) - 0,8% de Cromo, presta-se a tratamento de endurecimento por precipitação, o qual provoca elevação de resistência mecânica. Liga cobre-chumbo (CuPb) - 0,8 a 1,2% de Chumbo, com objetivo de melhorar a usinabilidade do cobre, aplicada em componentes elétricos: conectores, componentes de chaves, parafusos.

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

31 NOMENCLATURA DAS LIGAS DE COBRE
De acordo com CDA - Copper Development Association Ligas Trabalhadas C1xx - Cu puro ( >99,3%) Ligas elev. Cu (99,3 a 96%) C2xx - Ligas Cu-Zn (Latão) C3xx - Ligas Cu-Zn-Pb (latão Pb) C4xx - Ligas Cu-Zn-Sn (latão Sn) C5xx - Ligas Cu-Sn (bronze) C6xx - Ligas Cu-Al (bronze alumínio) Ligas Cu-Si C7xx - Ligas Cu-Ni e Cu-Ni-Zn Ligas Fundidas C8xx - Cobre fundido Ligas fundidas com elev. Cu Latão fundido de vários tipos Bronze fundido de vários tipos C9xx - Ligas fundidas Cu-Sn Ligas fundidas Cu-Sn-Pb Ligas fundidas Cu-Sn-Ni Ligas fundidas Cu-Al-Fe Ligas fundidas Cu-Ni-Fe %Cu %Cu ,90Cu-0.02P Cu-5.0Zn Cu-30.0Zn Cu-39.25Zn-0.75Sn Cu-14.5Zn-4.0Si

32 LATÃO

33 LATÃO: cobre + zinco Zinco: 5% - 45%
o zinco confere maior ductibilidade, porém com o Zn tem-se uma nova fase mais frágil que torna o latão menos conformável; adição de estanho ou alumínio aumenta resistência a corrosão por água do mar; uso: moedas, medalhas, bijuterias, radiadores de automóveis, componentes estampados e conformados, etc.

34 LATÃO – Características (vs aço)
Boa usinabilidade; Excelente resistência à corrosão (é geralmente a 1ª escolha...); Boa condutividade elétrica e térmica; Resistência ao desgaste razoável; Coloração interessante (decorativo) Facilidade de se fazer acabamento final Boa soldabilidade Higiene (propriedades anti-bactericidas)

35 LATÃO

36 LATÃO • Latão  - CFC - Liga típica: 70% Cu + 30% Zn (para cartuchos) - Mole e dúctil • Latão  +  - (a fase  é CCC) - Liga típica: 60% Cu + 40% Zn - Mais duro e Resistente - 1% Sn Aumenta a Resistência à Corrosão - 2% de Pb Aumenta a Usinabilidade • fase  - muito frágil

37 Microestrutura do Latão a
75X 75X Latão comercial a 70%Cu-30%Zn recozido - cartucho Latão comercial a 90%Cu-10%Zn

38 LATÃO  A resistência mecânica e o alongamento aumentam com o aumento do % de Zn até 30% Estas ligas têm boa aptidão para conformação a frio Acima de 500 ºC a maleabilidade é reduzida Endurecem fortemente por deformação (encruamento) Boa resistência à corrosão em águas salinas.

39 Microestrutura do Latão a + b
fase b (escuro) fase b fase a (claro) fase a 75X 75X Latão 60%Cu-40%Zn dendritas a matriz b Latão 60%Cu-40%Zn Metal Muntz estado bruto de fusão estado trabalhado a quente

40 Microestrutura do Latão a + b (Metal Muntz)
Dureza 178 HK Dureza 185 HK fase b (escuro) fase a (claro) Cu + 40%Zn

41 Latão a + b Nesta fase a resistência mecânica aumenta, mas o alongamento diminui com o aumento do % de Zn A temperatura ambiente a fase  é mais dura que a fase  O Latão + é pouco conformável a frio Acima de 470 ºC a liga torna-se repentinamente macia e a 800ºC é mais fácil de conformar que a fase 

42 RESUMO - LATÃO  vs LATÃO +
Latão  (até 35%Zn) Ótimo para fabricação de peças por conformação a frio Aumento da tenacidade com o aumento do %Zn Latão + (entre 36 e 50 %Zn) Liga mais dura que o latão  Ideal para produtos conformados a quente

43 LATÃO – Propriedades Mecânicas

44 LATÃO – Variação de cor com o %Zn
A cor avermelhada do cobre adquire uma faixa de tonalidades de amarelo com a adição de zinco %Zn Descrição da cor > 5% Cor vermelha do cobre 5% a 20% Diferentes tons de dourado 30% Latão amarelo 40% Amarelo claro + Mn Latão com tonalidade bronze + Al Latão com tonalidade prateada

45 LATÃO – Adição de outros elementos de liga
Adiciona-se outros elementos de liga ao Latão principalmente devido às seguintes razões: Melhorar usinabilidade Melhorar resistência mecânica Melhorar resistência ao desgaste Melhorar resistência à corrosão

46 LATÃO – Outros elementos de liga
Pb – Favorece a usinabilidade (entre 0,1 e 3%) Al – Aumenta a resistência mecânica dos latões Sn – Aumenta a resistência mecânica (acima de 1%) e aumenta a resist. a corrosão em ambientes salinos Mn – Aumenta a resistência mecânica (o mais utilizada para este fim). Ni – Confere tonalidade prateada ao latão Si – Melhora a fluidez no estado líquido (ideal para fundição) aumenta a resistência ao desgaste dos latões

47 LATÃO – TRATAMENTOS TÉRMICOS
Recozimento para alívio de tensões T = 300 ºC / 1h Recozimento para recristalização Usado para permitir subseqüentes deformações plásticas Recozimento para homogeneização Após solidificação pode-se fazer recozimento para homogeneização (600 a 650 ºC) Precipitação (“têmpera”) Ligas Cu-Zn40 (+) – Aquecimento acima de 600 ºC

48 Latões  LATÃO – APLICAÇÕES
Destinam-se especialmente a laminação a frio, estiramento, fabricação de tubos, etc.. Liga Cu-Zn5 – Medalhas, moedas, objetos decorativos Liga Cu-Zn15 – Imitação de jóias, devido à semelhança com o ouro, e artigos conformados; Liga Cu-Zn30 – Trocadores de calor, cápsula de rosca de lâmpadas, fabricação de rebites, pregos e parafusos, cartuchos de projéteis, etc..

49 Latões  +  LATÃO – APLICAÇÕES
Destinam-se especialmente a extrusão, estampagem a quente. Liga Cu-Zn40 – Geralmente vendido como semi-acabado (perfis sextavados, barras, peças vazadas (torneiras, acessórios para canalização, etc..)

50 LATÃO – CUSTO (vs. Aço) Custo do material é maior que a do aço
Se adicionarmos o custo do material + o custo de produção das peças (near-net-shape) = aplicação do latão pode ser vantajosa; Se considerarmos o custo do material + o custo da produção das peças + custo dos serviços de manutenção = aplicação vantajosa; Tolerâncias estreitas, elevada velocidades de corte, não há necessidade de pintura ou recobrimentos...

51

52 Custo do material Pré-usinagem Fresamento Furação e Rosqueamento Revestimento Total Total economizado

53 LATÃO – PERFIS EXTRUDADOS

54 LATÃO – PERFIS EXTRUDADOS

55 LATÃO – PERFIS EXTRUDADOS

56 LATÃO – OUTRAS APLICAÇÕES

57 LATÃO – OUTRAS APLICAÇÕES

58 BRONZE

59 BRONZE: cobre + estanho
Nos bronzes comerciais o teor de estanho varia de 2 a 12% À medida que aumenta o teor de estanho, aumentam a dureza e as propriedades relacionadas com a resistência mecânica, sem queda da ductilidade Frequentemente adiciona-se chumbo para melhorar as propriedades lubrificantes das ligas, além da usinabilidade. Os bronzes possuem elevada resistência à corrosão, o que amplia o campo de seu emprego. O fósforo é geralmente adicionado ao bronze como agente desoxidante e por isso os bronzes também são comumente conhecidos como bronzes fosforosos.

60 Bronze • Liga + Antiga • 5 a 25% de Sn - Vermelho 5%
- Amarelo 15 a 25% - Branco > 25% • Emprego do Bronze - Aplicações: tubos flexíveis, torneiras, varetas de soldagem, válvulas, buchas, engrenagens, Válvulas, Registros, Esculturas, Sinos..

61 BRONZE – DIAGRAMA DE FASE (Cu-Sn)

62 BRONZE – FASES A liga Cu-Sn possui 7 fases sólidas (, , , , , , ) Fase  - Maleáveis 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 elástico (molas) Fase  +  - Boas características autolubrificantes devido a presença de matriz plástica e precipitados duros Fase  +  - Difícil laminação, Deformáveis à quente ou após tratamento de recozimento Fase  – Ocorre somente quando o material é resfriado muito rapidamente (%Sn entre 10-20%)

63 BRONZE – PROPRIEDADES MECÂNICAS
Melhoram até 13% de Sn Acima de 13% as ligas tornam-se mais frágeis devido a presença da fase  A medida que aumenta o % Sn aumentam a dureza e a resistência mecânica sem perder ductilidade Frequentemente adiciona-se chumbo para melhorar a usinabilidade e melhorar as propriedades anti-fricção

64 BRONZE – Ligas mais comuns
Bronze trabalhável Contém de 1,25 a 10% de Sn (fase  com prec. ) – também conhecidos como bronze fosforoso por terem 0,1% P O fósforo forma Cu3P que acaba aumentando a resistência mecânica do bronze A resistência mecânica e a corrosão do Bronze é maior que a maioria dos Latões Bronze para fundição Mais que 10% de Sn no bronze faz a liga se tornar não conformável Para ligas fundidas tem-se até 16% de Sn – usadas principalmente para buchas de alta resistência e engrenagens.

65 BRONZE – MICROESTRUTURA

66 BRONZE – MICROESTRUTURA Microestrutura dentrítica do Bronze fundido
(Cu – 5%Sn) Barra na foto 200 µm

67 BRONZE – MICROESTRUTURA Microestrutura dentrítica do Bronze fundido
(Cu – 10%Sn 0,5%P) Ampliação 100x

68 BRONZE - APLICAÇÕES Autolubrificação e resistência a corrosão são as prorpiedades que levam a maioria de suas aplicações Ligas até 2% Sn – Boa condutividade elétrica e melhores propriedades mecânicas que o cobre puro. Ligas de 4 a 10%Sn – Medalhas e moedas, equipamentos elétricos, indústria química, indústria mecânica, parafusos, molas, rebites, porcas, etc.. (Liga típica Cu5%Sn) Ligas de 10 a 12%Sn – Apresentam as melhores propriedades mecânicas. Torneiras e acessórios de tubulações, discos de fricção, bronzinas, molas para serviço pesado... Ligas 14 a 18%Sn – Peças com boa resistência ao desgaste por abrasão e usadas em águas salinas Acima de 20% - Sinos, para formação do intermetálico Cu31Sn8 (fase ), melhoram a “sonoridade” da liga.

69 BRONZE – OUTRAS LIGAS TÍPICAS
Cu-11Sn fósforo - contendo 0,10 a 0,30% de fósforo; entre as aplicações, podem-se citar engrenagens para diversos fins; Cu-10Sn zinco 2 — contendo 1,0 a 3,0% de zinco e 1,0% máx. de chumbo — conexões de tubos grandes, engrenagens, para­fusos, válvulas 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 — válvulas para temperaturas até 290°C, bombas de óleo e engrenagens; Cu-11Sn chumbo l níquel l — contendo 1,0 a 1,5% de chumbo e 0,5 a 1,5% de níquel — buchas e engrenagens para diversos fins.

70 BRONZE - APLICAÇÕES

71 BRONZE - ANÁLISE ANÁLISE QUÍMICA MICROESTRUTURA
Sn – 3,1% Zn – 9,9% Pb – 5,3% Al – 0,6% Cu – bal.

72 BRONZE - ANÁLISE Sn – 0,6% Zn – 6,3% Pb – 66,5% Al – 6,3% Cu – bal.

73 COMPARAÇÃO BRONZE E LATÃO
Características/ Material Bronze Latão Composição Básica Cobre + Estanho Cobre + Zinco Custo Mais caro que o latão Mais barato que o bronze e mais caro que o aço Tratamentos Térmicos mais utilizados Recozimento; Têmpera Recozimento para recristalização; para alívio das tensões; Têmpera

74 LIGA COBRE ALUMÍNIO

75 Cobre Alumínio LIGA COBRE ALUMÍNIO alumínio: até 10%
uso: peças para embarcações, trocadores de calor, evaporadores, soluções ácidas ou salinas O Fe melhora o limite de elasticidade e o Mn melhora a fluidez da liga no estado líquido

76 COBRE ALUMÍNIO – FASES

77 COBRE ALUMÍNIO – FASES Fase  - Resistência mecânica cresce com o aumento do teor de Al. Endurecem por deformação a frio. São facilmente conformáveis a frio e a quente. Fase  + 2 – Resistência mecânica maior que a fase alfa. Conformação a quente. Boa resistência a corrosão.

78 COBRE ALUMÍNIO – MICROESTRUTURA
Cu – 11,5%Al Branco – alfa proeutetóide e eutetóide é uma mistura de alfa e γ2, Al4Cu9, Cu – 11,8%Al Trat termicamente Aquecido a 900ºC (1h) e temperado em água Microestrutura martensítica

79 COBRE ALUMÍNIO – APLICAÇÕES
Ligas de 5 a 7%Al – Tubos e trocadores de calor Ligas de 9 a 10%Al – instrumentos elétricos, recipientes para substâncias ácidas e alcalinas; Liga 9%Al3%Fe12%Mn – (Liga superstone) alta resistência ao impacto

80 CUPRONÍQUEL

81 CUPRONÍQUEL - Características
O Níquel é totalmente dissolvido no cobre; O %Ni varia de 5 a 50% Ligas muito dúcteis com excelente resistência à corrosão Acima de 10%Ni a liga apresenta cor branca Boa conformabilidade – facilidade em transformá-las em chapas, tiras, fios, etc.. Boa soldabilidade A adição de Ni ao cobre aumenta a resistência mecânica, resistência à corrosão e oxidação da liga.

82 CUPRONÍQUEL – FASES Como as ligas Cu-Ni são totalmente miscíveis no estado sólido temos somente a fase alfa. a Fase  - Estrutura (CFC), peso específico de 8,94 g/cm3 para 32,2%Ni.

83 CUPRONÍQUEL – APLICAÇÕES
A aplicação de liga com 5% é na construção naval, em tubos condutores de água do mar, circuitos de refrigeração a água e serviços sanitários de navios. A aplicação de liga com 10% em tubos e placas de condensadores, aquecedores e evaporadores. A aplicação de liga com 20% em resistores, recipientes de transistores e guias de onda de radar. A aplicação de liga com 30% ocorre na construção naval e na indústria química. A aplicação de liga com 45% ocorre em elementos de aquecimento na indústria elétrica.

84 CUPRONÍQUEL – APLICAÇÕES
Ligas com 10%Ni – Tubos Ligas com 20%Ni – medalhas, moedas, tubos de condensação e fabricação de resistores Ligas com 30%Ni – Construção naval e indústria química Liga entre 35 e 50%Ni (constantan) – Fabricação de resistores e termopares; Ligas entre 30 e 67%Ni (monel) – Resistentes às águas salinas, ácido sulfúrico, sulfeto de sódio (Dureza 70HB recozido e 100HB extrudado)

85 CUPRONÍQUEL – APLICAÇÕES

86 CUPRONÍQUEL – TRATAMENTOS TÉRMICOS
Recozimento Realizado a 550 – 690 ºC e nunca além de 800ºC

87 ALPACAS

88 ALPACAS – Cu + Ni + Zn - Características
Também conhecida como prata de níquel zinco: 17% - 27% níquel: 8% - 18% uso: chaves, equipamentos de telecomunicações, decoração, relojoaria, componentes de aparelhos óticos e fotográficos, etc. são facilmente confundidas com a prata devido a sua coloração Conforme aumenta-se o %Ni a coloração das alpacas muda de marfim para prateado

89 ALPACAS – Cu + Ni + Zn - Microestrutura
Fase alfa

90 ALPACAS – APLICAÇÃO

91 LIGAS DE COBRE – MOEDAS BRASILEIRAS
Fonte: Casa da moeda do Brasil

92 ALPACAS – APLICAÇÃO Fonte: Casa da moeda do Brasil