COBRE E SUAS LIGAS

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COBRE E SUAS LIGAS
Kelly A. Cardoso1; Marcel F. dos Santos1
1Universidade do Extremo Sul Catarinense – UNESC / Departamento de Engenharia de Materiais, Campus I, Av. Universitária nº 1105.
Resumo: O cobre e suas ligas são extensivamente utilizados em várias aplicações desde a metalurgia até mesmo como peças decorativas. Os elementos de liga são adicionados ao cobre com o intuito de melhorar algumas características como resistência mecânica, ductilidade e estabilidade térmica.
Em síntese serão abordados três artigos técnicos a respeito do metal cobre em aplicações tecnológicas atuais e bem diferenciadas.
Palavras-Chave: Cobre, ligas de cobre, aplicações tecnológicas.
Área do Conhecimento: Metais.
INTRODUÇÃO
ORIGEM
A palavra cobre é derivada de “cuprum”, que significa metal da ilha de Chipre, onde foi descoberto em estado natural durante a Antigüidade. Atualmente, é obtido a partir de minérios, sendo os mais divulgados os minérios sulfurados. Existem minas na Inglaterra, Rússia, Egito, Japão, Estados Unidos e Congo.
Dois destes minérios destacaram-se em primeiro plano:
- A calcopirita (Cu2S + Fe2S3) cujo teor em cobre é de 34,5 %.
- A calcosita (Cu2S) contendo cerca de 80 % de cobre.
Os minérios oxidados e carbonatados também são encontrados freqüentemente:
- A cuprita (Cu2O), óxido de cobre,
- A azurita (2 CuCo3), carbonato de cobre.
Uma observação geral deve ser feita sobre o local das jazidas de minérios de cobre: há predominância de minérios oxidados na superfície, os minérios sulfurados encontrando-se, pelo contrário, em profundidade. [1]
METALURGIA DO COBRE – PREPARAÇÃO
É pelo calor que são geralmente tratados o minério de cobre, mas a par da termometalurgia, existe um processo de extração eletrolítico.
Antes de se submeter aos diversos tratamentos térmicos, os minérios são submetidos a uma preparação mecânica que tem por objetivo enriquecer aqueles, eliminando a ganga, isto é, todos os elementos não contendo metal ou em quantidade insuficiente para merecer um tratamento térmico. Entre estas operações, citam-se a moagem, a lavagem e a flotacão. Neste último método, o metal é pulverizado na presença de um óleo que só envolve os elementos sulfurados. O conjunto é em seguida colocado na água: os elementos sulfurados envolvidos no óleo flutuam, enquanto que a ganga afunda. [1]
METALURGIA EXTRATIVA DO COBRE
Os tratamentos térmicos sucessivos para obter cobre são os seguintes:
a) Calcinação do minério (15 a 25%)
b) Fusão para obter uma massa contendo cerca de 25 a 45 % de cobre
c) Refinação ao conversor, a saída do qual aparece o cobre bruto
d) Refinação do cobre bruto (1)
Figura 1 – Processo de Extração do Cobre
Figura 2 – Produção do Cobre Eletrolítico
Fonte:
http://www.cetem.gov.br/tendencias/paineis/metalurgia_extrativa/SOBRAL_Luis_METALURGIA_EXTRATIVA_DO_COBRE_2006.pdf
METAL COBRE E SUAS LIGAS
O Cobre e suas ligas são o terceiro metal mais utilizado no mundo, perdendo apenas para os aços e para o alumínio e suas ligas. Suas principais características são as elevadas condutividades elétrica e térmica, boa resistência à corrosão e facilidade de fabricação, aliadas a elevadas resistências mecânica e à fadiga. São geralmente não magnéticos. Sua densidade é de 8,94 g/cm³, um pouco acima da do aço, e sua temperatura de fusão é de 1083 ºC.
As peças fabricadas com cobre são unidas mediante soldagem e/ou brasagem. Para peças decorativas, ligas padrões possuem cores específicas e estão prontamente disponíveis. Ligas de cobre podem ser polidas e lustradas para quase todas as texturas desejadas. Podem ser chapeados, recobertos com substâncias orgânicas ou colorações químicas para atendimento em diversas aplicações.[2]
Segundo classificação da ABNT os principais tipos de cobre são os seguintes:
1. Cobre eletrolítico tenaz (Cu ETP): utilizado onde se exige alta condutibilidade elétrica e boa resistência à corrosão. Ex. linhas telefônicas.
2. Cobre refinado ao fogo de alta condutibilidade (Cu FRHC): contem um teor mínimo de cobre de 99,90% incluindo a prata, tem as mesmas aplicações que o cobre ETP, porém um pouco diferente na qualidade.
3. Cobre refinado a fogo tenaz (Cu FRTP): para construção mecânica, química, civil e na arquitetura as aplicações são praticamente iguais as do cobre ETP.
4. Cobre desoxidado com fósforo, de baixo teor de fósforo (Cu DLP): é utilizado em tubos que conduzem fluidos.
5. Cobre desoxidado com fósforo, de alto de fósforo (Cu DHP): praticamente as mesmas aplicações que o cobre DLP.
6. Cobre isento de oxigênio (Cu OF): utilizado em equipamentos eletro-eletrônicos, devido à sua maior conformabilidade.
7. Cobre refundido (Cu Cast).
Esses tipos de cobre são fornecidos em forma de placas, chapas, tiras, barras, arames e fios, tubos, perfis ou conformados por forjamento.[3]
O cobre é normalmente usado em sua forma pura, mas também pode ser combinado com outros metais para produzir uma enorme variedade de ligas. Cada elemento adicionado ao cobre permite obter ligas com diferentes características tais como: maior dureza, resistência à corrosão, resistência mecânica, usinabilidade ou até para obter uma cor especial para combinar com certas aplicações. Veja o gráfico abaixo que relaciona as ligas do Cobre: [5]
Figura 3 – Relação das ligas de cobre
Fonte:
http://www.eletrica.ufpr.br/piazza/materiais/CesarCanata.pdf
Existem vários tipos de liga de cobre. As ligas de cobre apresentam excelentes ductilidade a quente e a frio, ainda que um pouco inferiores às do metal puro. As grandes ligas de cobre são divididas nos grandes grupos listados abaixo: [2]
1. Cobre comercialmente puro: A característica técnica mais importante para o cobre puro é a sua condutividade elétrica. A presença de impurezas, especialmente fósforo, ferro e cobalto deterioram a condutividade devido ao impedimento do movimento do elétrons causado por estes elementos. O cobre pode conter elementos como prata, arsênio, cromo, zircônio, cádmio, ferro ou fósforo. Estes elementos aumentam as propriedades mecânicas, especialmente à resistência à tração. Cobre é utilizado para aplicações especiais tais como molas, contatos, eletrodos de solda, materiais condutores, projetos elétricos, etc.[4]
2. Latões (ligas Cu-Zn): Podem conter até 45% de zinco. Os elementos Al, Sn, Si, Fe, Mn, Ni, As, P e Pb são usuais neste tipo de liga. O alumínio aumenta a consistência e a resistência à corrosão. Adições de estanho e silício garantem melhores propriedades de deformação. Arsênico e fósforo ajudam em relação à resistência à corrosão, sendo que o fósforo, adicionalmente, aumenta também a fluidez do metal. Ferro e manganês são adicionados para refinar o grão. O níquel possui como ponto positivo, a melhora da resistência à corrosão e uma melhora na resistência mecânica a altas temperaturas. Ligas de latão podem conter até 3,0% de chumbo, pois este elemento favorece a operação de corte do metal. Latões são utilizados em um grande campo de aplicação, com destaques em peças de uso naval, mancais, cartuchos, parafusos, etc. [4]
3. Bronzes (ligas de Cu-Sn): Esta liga é formada por cobre e estanho, cujo conteúdo de estanho pode chegar a 20%. Os bronzes de estanho têm maior resistência mecânica que o latão. E melhor resistência à corrosão. Entretanto, têm preço mais elevado que as ligas Cu-Zn. É utilizada em tubos flexíveis, torneiras, varetas de soldagem, válvulas, buchas e engrenagens, entre outras aplicações.
4. Ligas de Cobre-níquel: Esta liga é conhecida como cuproníquel e o conteúdo de níquel pode variar de 10% a 30%. É utilizada em cultivos marinhos, moeda, bijuterias, armações de lentes etc. [5]
5. Ligas de Cobre-níquel-zinco: As ligas que normalmente contém entre 45% a 70% de cobre, de 10% a 18% de níquel e o restante constituído por zinco recebem o nome de alpacas. Por sua coloração, estas ligas são facilmente confundidas com a prata. São utilizados em chaves, equipamentos de telecomunicações, decoração, relojoaria e componentes de aparelhos óticos e fotográficos, entre outras aplicações. [5]
6. Ligas de Cobre-alumínio: Esta liga normalmentecontém mais de 10% de alumínio. É utilizada em peças para embarcações, trocadores de calor, evaporadores, soluções ácidas ou salinas etc. [5]
7. Ligas de Cobre-Berílio: São ligas que podem ser tratadas termicamente por endurecimento por precipitação.O teor de berílio varia de 1,6 a 2,7%, podendo conter pequenas quantidades de cobalto, níquel e ferro.
Considerações Ambientais
O cobre é um micro elemento essencial, necessário ao desenvolvimento saudável da maioria das plantas, animais e seres humanos.
Outros metais associados às ligas de cobre não são encontrados geralmente em estados considerados perigosos.
No entanto, quando ocorrer geração de fumaça, por exemplo, no derretimento ou soldagem, pode ser necessária à utilização de equipamentos de extração de fumaça.
O berílio é utilizado, algumas vezes, como o elemento para se fazer uma das ligas mais resistentes que se conhece, de valor inestimável na produção de molas para usos pesados. Quando em liga com cobre e em estado sólido, ele não apresenta risco à saúde. No entanto, quando presente na atmosfera, o berílio pode ocasionar males à saúde e deve ser controlado. [5]
SÍNTESE DOS ARTIGOS TÉCNICOS
Estudo de caso 1: DETERMINANDO-se o tamanho De grãos em ligas De cobre-zinco através Da análise De imagem
Este artigo teve por objetivo estudar a medição estimada do tamanho de grão, de materiais que apresentam estruturas com maclas através da análise de imagem.
Assim, neste controle de rotina, a subjetividade do operador é praticamente eliminada, aumentando a produtividade do processo, uma vez que o analisador automaticamente reconstrói os contornos de grão extraindo a média dos grãos de forma visual ou através de estatística feita por meio de histogramas, geralmente obedecendo a normas estabelecidas por instituições internacionais, como, por exemplo, o procedimento E-112 da ASTM.
Enquanto que o analisador de imagem funciona plenamente, tanto na forma manual como automática, para a medição do tamanho médio de grãos em aços, em ligas de cobre-zinco, latão, que possuem maclas em sua estrutura, é sempre difícil para ele em distinguir os contornos inerentes as maclas daqueles dos grãos propriamente dito.
Entretanto, dada a enorme flexibilidade do analisador de imagem, o tamanho de grão pode ser medido com precisão nestes tipos de materiais. Assim sendo, a melhor maneira de se medir o tamanho de grão com precisão em ligas de cobre e zinco é por meio do método de interceptação.
A análise foi executada considerando-se seis amostras de latão devidamente polidas e atacada com micro-estruturas contendo grande número de maclas.
É importante que diversas amostras sejam consideradas para se obter um fator de correlação exeqüível.
O valor final deve ser avaliado e validado com outros lotes de amostras com um valor de tamanho de grão conhecido.
Desta maneira conclui-se que pela sua rapidez, precisão e, principalmente por eliminar a subjetividade inerente aos métodos comparativos, o analisador de imagem operando em modo semi-automático por intercepto se torna um instrumento imprescindível para a medição do tamanho médio de grão em materiais com estrutura que contenha maclas.[6]
Estudo de caso 2: LIGAS ALTERNATIVAS DE COBRE DE USO ODONTOLÓGICO
Neste trabalho foi analisada a fidelidade de adaptação de restaurações metálicas fundidas, obtidas com ligas de cobre.
Estas ligas foram desenvolvidas quando o Brasil enfrentava vários problemas socioeconômicos, sendo que a utilização de ligas de cobre foi uma alternativa importante levando em consideração o seu custo em relação às ligas áuricas.
A fabricação dos corpos de prova foi realizada seguindo as etapas comentadas abaixo:
- Fundição propriamente dita: as fundições foram realizadas num corpo de prova padrão, confeccionado em aço inox, que apresentava quatro demarcações para uma posterior leitura em microscópio comparador.
- Limpeza da fundição
- Usinagem
Foram obtidos seis corpos de prova para cada tipo de liga e de revestimento, num total de 24 fundições e 96 mensurações das restaurações metálicas fundidas.
Testaram-se as ligas:
• Duracast ®: (Odonto Comercial – São Paulo – SP)
• Goldent ®: (AJE Comércio e Representações
Ltda. – São Paulo – SP)
Ambas as ligas contêm como componente principal o Cobre e outros agentes para melhorar sua dureza, a não-corrosão e a não oxidação.
A liga Duracast ® pertence ao sistema Cobre-
Alumínio, pois seu principal componente, depois do Cobre, é o Alumínio.
A liga Goldent ®, pertencente ao sistema Cobre-Zinco, apresenta o Zinco como seu segundo maior componente em porcentagem.
Depois de todas essas etapas para a construção de fundições odontológicas precisas, foram feitas as mensurações, no microscópio comparador, do corpo de prova e das fundições obtidas, sendo as medidas realizadas em relação ao corpo de prova padrão e das restaurações metálicas fundidas.
Constatou-se após a realização dessas fundições precisas com os materiais estudados, que os resultados foram muito bons em relação à justeza de adaptação e forma. Verificou-se também que, mesmo depois de feitas várias combinações entre ligas e revestimentos, não houve nenhuma combinação que mostrasse resultados extremamente superiores aos outros. Confirmou-se que, após as mensurações de todas as fundições, estas sempre apresentavam contrações em relação ao corpo de prova padrão, que não afetaram a justeza de adaptação e forma das restaurações, tanto do sistema Cobre-Alumínio (Duracast ®) quanto do sistema Cobre- Zinco (Goldent ®).
Ambas as ligas estudadas apresentaram grande facilidade para serem trabalhadas mecanicamente a frio, permitindo uma fácil usinagem. [7]
Estudo de caso 3: Produtividade de eletrodos fabricados com a liga de Cu-Cr utilizados no processo de solda por ponto pelo processo de forjamento
Este trabalho compara a produção de eletrodos utilizados em soldagem por ponto entre os processos de forjamento e usinagem. Foi considerado o processo de forjamento como uma alternativa à melhoria da qualidade, redução dos tempos de produção, redução de refugos além de aumento do número de pontos de solda realizados por eletrodo. O material utilizado foi uma liga Cobre-Cromo (Cu-Cr).
Tabela 1 – Custos e perdas na usinagem e forjamento na produção de um eletrodo
Conforme os resultados comparativos apresentados na produção de eletrodos por usinagem e forjamento, as seguintes conclusões podem ser tiradas:
1 – A perda volumétrica de material na produção de eletrodos por usinagem chega a 110% que pode ser considerado um número elevado de geração de refugos para o padrão de produção com qualidade de qualquer empresa. Isto representa a perda de mais de um produto a cada novo produto fabricado;
2 – As sobras representadas na tabela 1 mostram que; a cada corte da barra para a produção de um “Blanck” perde-se 19% do volume de um eletrodo. Isto significa um eletrodo perdido a cada cinco “blancks” cortados;
3 – O Cobre, mesmo quando ligado ao Cromo, é um elemento que aceita facilmente a deformação permitindo a produção dos mais diversos formatos de eletrodos. Além disso, proporcionou uma resistência maior no processo de forjamento adquirida pelo maior número de pontos de soldagem realizados;
4 – As perdas volumétricas pelo processo de forjamento são da ordem de 4% sendo plenamente aceitáveis em uma linha de produção moderna;
5 – A utilização do processo de forjamento elimina a quantidade excessiva de cavacos na linha de produção, diminuindo a geração de sucata, melhorando a segurança do operador, além de diminuir o número de refundições do material;
6 – Em função dessas observações torna-se conveniente à modificação da linha de produção para o processo de forjamento, que tornará mais eficiente o chão de fábrica.
Em síntese, os eletrodos produzidos por forjamento se mostraram com durezas superiores quando empregados nas altas temperaturas atingidas durante o processo de soldagem, permitindo uma produção em um tempo muito inferior aos eletrodos usinados, além de uma produção de refugo “sucata” se mostrar inferior ao processo de usinagem.[8]
CONCLUSÃOAs excelentes propriedades e características intrínsecas do Cobre e suas ligas explicam porque desde que foi descoberto na Antiguidade ainda continua sendo utilizado intensamente em várias áreas até os dias de hoje. As características como elevadas condutividades elétrica e térmica, boa resistência à corrosão e facilidade de fabricação, aliadas a elevada resistência mecânica e à fadiga justificam porque dentre tantos outros metais ele é o terceiro metal mais utilizado no mundo.
Existem vários tipos de cobre que são produzidos para aplicações específicas e diversas. Esses tipos de cobre são fornecidos em forma de placas, chapas, tiras, barras, arames e fios, tubos, perfis ou conformados por forjamento.
É normalmente usado em sua forma pura, mas também pode ser combinado com outros metais para produzir uma enorme variedade de ligas. Cada elemento adicionado ao cobre permite obter ligas com diferentes características tais como: maior dureza, resistência à corrosão, resistência mecânica, usinabilidade ou até para obter uma cor especial para combinar com certas aplicações.
Os três artigos abordados a respeito do cobre reportam a vasta área de aplicações técnicas utilizando de métodos bem diferentes para apresentar a sua importância em vários ramos da ciência e tecnologia.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1]http://www.eletrica.ufpr.br/piazza/materiais/CarlosRojas.pdf: Acessado em 11/05/2008.
[2] http://www.infomet.com.br/h_cobre.php: Acessado em 06/05/2008.
[3] CHIAVERINI, Vicente. Tecnologia mecânica. 2 ed. São Paulo: Ed. McGraw-Hill, 1986.
[4]http://www.shimadzu.com.br/analitica/aplicacoes/espectrometros/oes/an_ligas_cu.pdf: Acessado em 13/05/2008.
[5]http://www.eletrica.ufpr.br/piazza/materiais/CesarCanata.pdf: Acessado em 13/05/2008.
[6] Fazano, C. A. Determinando-se o tamanho de grãos em ligas de cobre-zinco através da análise de imagem.Revista Analytica, nº 27, págs 50 a 58, fevereiro/março 2007. Disponível em: <www.revistaanalytica.com.br/analytica/ed_anteriores/27/art04.pdf> Acessado em 17/05/2008.
[7] Sansiviero, A.; Tavares Júnior. C. A. R. F.; Romão Júnior, W.; Marin, K. K.; Kikuchi, L. N. T. Ligas alternativas de cobre de uso odontológico. ConSCIENTIAE SAÚDE. Rev. Cient. UNINOVE – São Paulo. V.2, págs 37 a 42. Disponível em: <www.uninove.br/ojs/index.php/saude/article/view/194/184> Acessado em 16/05/2008.
[8] Brandão, L. C. Produtividade de eletrodos fabricados com a liga de Cu-Cr utilizados no processo de solda por ponto pelo processo de forjamento. XXIV Encontro Nac. de Eng. de Produção - Florianópolis, SC, Brasil, 03 a 05 de nov de 2004. Disponível em:
<www.abepro.org.br/biblioteca/ENEGEP2004_Enegep0107_0983.pdf> Acessado em 20/05/2008