Cobre e suas ligas

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Cobre e suas Ligas
César Luiz Canata Júnior, UFPR
I. HISTÓRIA DO COBRE
O cobre foi o primeiro metal usado pelo homem. Acredita-
se que por volta de 13.000 a.C. foi encontrado na superfície
da Terra em forma de "cobre nativo", o metal puro em seu
estado metálico. Usado inicialmente como substituto da
pedra como ferramenta de trabalho, armas e objeto de
decoração, o cobre tornou-se, pela sua resistência, uma
descoberta fundamental na história da evolução humana.
Os historiadores
concordam que as primeiras
descobertas importantes do cobre
deram-se na área compreendida
entre os rios Tigre e Eufrates, ao
Norte do Golfo Pérsico.
Nesta área, considerada como o
lugar da primeira civilização do mundo, foram encontrados
objetos de cobre de mais de 6.500 anos. Os Romanos
designaram o cobre com o nome de "Aes Cyprium", o Metal
de Cyprus, já que a Ilha de Cyprus ( Chipre ) foi uma das
primeiras fontes do metal. Com o tempo, o nome se
transformou em Cyprium e depois em Cuprum, originando o
símbolo químico "Cu".
Através dos séculos, o cobre foi identificado pelo
símbolo, que é uma forma modificada do antigo hieróglifo
usado pêlos antigos egípcios para representar a vida eterna.
O fato de se ter encontrado objetos de cobre tão antigos em
diversos lugares do mundo é prova das propriedades únicas
do metal: durabilidade, resistência à corrosão,
maleabilidade, ductilidade e fácil manejo.
Apesar de sua antiguidade, o Cobre manteve, aliado
aos metais mais novos, um papel predominante na evolução
da humanidade, sendo utilizado em todas as fases das
revoluções tecnológicas pelas quais o ser humano já passou.
 As minas de cobre mais importantes do mundo estão
localizadas no Chile, Estados Unidos, Canadá, Rússia e
Zâmbia.
Em 1874, foi descoberta a mina Caraíba, no sertão
da Bahia. Somente após 70 anos é que foram iniciados os
trabalhos de prospecção. Em 1969, 25 anos mais tarde, o
empresariado brasileiro, sob a liderança do Grupo Pignatari,
estabeleceu uma planta de metalurgia em Dias D'Ávila,
Bahia, para a produção de cobre eletrolítico. No início da
década de 80, a Caraíba começou a produzir cobre
eletrolítico e, no final da década, em 1988, ocorreu o
desmembramento entre a mina e a planta de metalurgia, com
a privatização desta última, que adotou o nome de Caraíba
Metais.
II. O CICLO INDUSTRIAL DO COBRE
As minas de cobre são classificadas de acordo com
o sistema de exploração: Minas à Céu Aberto são aquelas
cujo mineral se encontra próximo da superfície e Minas
Subterrâneas, aquelas em que o mineral se encontra em
profundidade, necessitando de explosivos para sua extração.
Da mina sai o minério contendo de 1% a 2% de
cobre. Depois de extraído, britado e moído, o minério passa
por células de flotação que separam a sua parte rica em
cobre do material inerte e converte-se num concentrado,
cujo teor médio de cobre é de 30%. Este concentrado é
fundido em um forno onde ocorre a oxidação do ferro e do
enxofre, chegando-se a um produto intermediário chamado
matte, com 60% de cobre. O matte líquido passa por um
conversor e, através de um processo de oxidação ( insufla
oxigênio para a purificação do metal ), é transformado em
cobre blister, com 98,5% de cobre, que contém ainda
impurezas como resíduos de enxofre, ferro e metais
preciosos. O cobre blister, ainda no estado líquido, passa por
processo de refino e, ao seu final, é moldado, chegando ao
ânodo com 99,5% de cobre.
Após resfriados, os ânodos são colocados em
células de eletrólise. São então intercalados por finas chapas
de cobre eletrolítico, denominadas chapas de partida.
Aplicando-se uma corrente elétrica, o cobre se separa do
ânodo e viaja através do eletrólito até depositar-se nas placas
iniciadoras, constituindo-se o catodo de cobre, com pureza
superior a 99,99%.
Este cátodo é moldado em suas diferentes formas
comerciais para, posteriormente, ser processado e
transformado em fios, barras e perfis, chapas, tiras, tubos e
outras aplicações da indústria.
Figura 2. Ciclo de obtenção do cobre
Normalmente, o produto final originário dos
produtores de cobre (mineiros), são os catodos refinados e
os vergalhões de cobre, cuja produção é vendida quase que
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inteiramente para a indústria de transformação do cobre. Já
esta indústria, processa o catodo ou o vergalhão e, através de
processos de laminação, extrusão, forjagem, fundição e
metalurgia do pó, obtém uma larga variedade de produtos
tais como fios e cabos elétricos,
chapas, tiras, tubos e barras que
são usados principalmente na
indústria da construção civil,
eletro-eletrônica,
automobilística e outras.
Os minerais de cobre
podem dividir-se em três
grupos distintos. Os minerais primários, que estão
depositados a grande profundidade e têm origem ígnea, de
que são exemplo a bornite (Cu5FeS4) , calcopirite
(CuFeS2), enargite (Cu3As5S4) e outros. O segundo grupo
é composto por minerais de cobre oxidado resultantes da
erosão de sulfuretos de cobre. Neste grupo destacam-se os
minerais cuprite (Cu2O), malaquite (CuCO3.Cu(OH)2),
azurite (2CuCO3.Cu(OH)2) e crisocola (CuSiO3.2H2O). O
terceiro grupo é constituído por minerais resultantes da
erosão de sulfuretos de cobre, tais como a calcocite (Cu2S) e
a covelite (CuS).
Os minerais com maior interesse comercial são a
calcocite (Cu2S), que possui 79,8 % de cobre, e a calcopirite
(CuFeS2) com 34,5 %. Minerais como enargite ou outros
sulfuretos podem viabilizar a exploração que usualmente se
faz em mina aberta. A minagem em profundidade é menos
comum, na extracção de cobre, devido aos seus elevados
encargos.
A seguir, temos um fluxograma geral do ciclo de
extração e industrialização do cobre e uma tabela com os
principais minerais:
TABELA I
PRINCIPAIS MINERAIS PARA OBTENÇÃO DO COBRE
III. PROPRIEDADES BÁSICAS
O cobre é um elemento metálico com número
atômico 29 e peso atômico de 63,57. O seu símbolo químico
é Cu, e suas valências são +1 e +2.
Não é magnético e pode ser utilizado puro ou em ligas com
outros metais que lhe conferem excelentes propriedades
químicas e físicas.
• Densidade: 8,96 g / cm3 ( 20°C )
• Ponto de fusão: 1083ºC
• Ponto de ebulição: 2595°C
• Coeficiente de dilatação térmica linear: 16,5 x 10 -
6 cm/cm/°C ( 20°C)
• Resistividade elétrica: 1,673 x 10 -6 ohm.cm
(20°C)
• Pressão de vapor: 101 mm Hg à 20°C
• Condutividade elétrica: 101 % IACS à 20 °C
• Calor latente de fusão: 50,6 cal/g
• Calor específico: 0,0912 cal/g/°C (20°C)
• Forma cristalina: Cúbica de faces centradas
IV. O COBRE E SUAS LIGAS
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 a
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.
Figura 1. Relação das ligas de cobre
A. Cobre e Zinco
Esta combinação pertence ao grupo dos latões e o
conteúdo de zinco varia de 5% a 45%. Esta liga é utilizada
em moedas, medalhas, bijuterias, radiadores de automóvel,
ferragens, cartuchos, diversos componentes estampados e
conformados etc.
B. Cobre e Estanho
A combinação destes metais forma o grupo dos
bronzes e o conteúdo de estanho pode chegar a 20%. É
utilizado em tubos flexíveis, torneiras, varetas de soldagem,
válvulas, buchas, engrenagens etc.
C. Cobre e Alumínio
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Esta liga normalmente contém mais de 10% de
alumínio. É utilizada em peças para embarcações, trocadores
de calor, evaporadores, soluções ácidas ou salinas etc.
D. Cobre e Níquel
Esta liga é conhecida como
cuproníquel e o conteúdo de níquel
pode variar de 10% a 30%. É utilizada
em cultivos marinhos, moedas,
bijuterias, armaçõesde lentes etc.
As ligas que normalmente contém
entre 45% a 70% de cobre, e de 10% a
18% de níquel, sendo o restante
constituído por zinco, recebem o nome de alpacas. Por sua
coloração, estas ligas são facilmente confundidas com a
prata. São utilizadas em chaves, equipamentos de
telecomunicações, decoração, relojoaria, componentes de
aparelhos óticos e fotográficos etc.
E. Cobre e Ouro
O ouro 18 quilates: mistura de 75% de ouro e 25%
de cobre (a quantidade de ouro na liga é indicada em
quilates: o ouro puro é o ouro 24 quilates, portanto, quanto
mais baixo for o número de quilates, menor será a
quantidade de ouro).
V. PRINCIPAIS ATRIBUTOS DO COBRE NA
CONDUÇÃO DE ENERGIA
O cobre é o mais eficiente, resistente e confiável
metal para ser utilizado em condutores elétricos. Veja o
porquê:
A . O Cobre é o Padrão de Condutibilidade
Em 1913, a Comissão Internacional de
Eletrotécnica adotou a condutibilidade do cobre como
padrão, definindo-a como sendo 100% para cobre recozido
(IACS). Isto significa que o cobre proporciona uma maior
capacidade de conduzir corrente elétrica para um mesmo
diâmetro de fio ou cabo do que qualquer outro metal de
engenharia usualmente empregado como condutor elétrico.
Cabos elétricos de cobre requerem menor isolação
e eletrodutos de menor diâmetro quando comparados com
cabos de alumínio. O alumínio possui menor
condutibilidade elétrica, necessitando, portanto, de cabos de
maior diâmetro quando comparados com o cobre para
conduzir a mesma corrente. Este é o motivo pelo qual num
dado eletroduto é possível instalar uma maior quantidade de
fios ou cabos de cobre comparados com o alumínio. Além
disso, o cobre também proporciona uma condutividade
térmica superior (60% superior ao alumínio), o que leva a
uma economia de energia e facilita a dissipação de calor.
B. O Cobre é Compatível com Conectores e Outros
Dispositivos
Resistência mecânica, flexibilidade e resistência à
corrosão tornam o cobre ideal para ligações a conectores,
realização de soldas etc.
C. O Cobre Possui Resistência e Ductilidade
 Esta única combinação faz do cobre o metal ideal
para condutores. Normalmente quanto mais resistente é um
metal, menos flexibilidade ele terá. Isto não ocorre com o
cobre. Assim você terá as vantagens de durabilidade e
ductilidade quando especificar o cobre como material
condutor.
D. O Cobre é Fácil de Instalar
A resistência, dureza e flexibilidade do condutor de
cobre assegura ao mesmo tempo facilidade de manuseio e
instalação, reduzindo assim os custos de mão de obra
associados. Quando você puxa um condutor de cobre através
de um eletroduto, ele resiste ao estiramento e não quebra.
Podemos dobrá-lo ou torcê-lo, e ele ainda resiste à
quebra.
E. O Cobre Resiste á Corrosão
O cobre puro (>99,9% de cobre), usado em
condutores elétricos, é um metal nobre que quando em
contato com outros metais (ferro, aço etc.) não está sujeito à
corrosão galvânica. Os fios de cobre também resistem à
corrosão por umidade, poluição industrial e outras
influências atmosféricas que possam causar danos ao
sistema.
F. O Cobre Atende ás Especificações
 Anos de confiabilidade e performance fazem do
cobre o padrão para o uso em condutores elétricos,
atendendo a todas às especificações praticadas nos mais
diferentes países.
G. O Cobre é Econômico
 Numa primeira avaliação, o condutor de alumínio é
algumas vezes mais barato que o condutor de cobre, mas
economia não é medida somente pelo custo inicial de
aquisição. O custo ao longo do tempo, que inclui
ferramentas extras de instalação, procedimentos, materiais,
serviços, reparos e potencial para expansão do sistema, deve
ser também avaliado. Estes custos normalmente são
esquecidos numa primeira avaliação. Então considere todas
as questões envolvidas e você descobrirá que o cobre é o
condutor mais econômico.
Com fios e cabos de cobre você obtém:
• capacidade de corrente superior com menos seções.
• fácil instalação, não necessita de conectores especiais,
ferramentas, procedimentos etc.
• maior quantidade de fios por eletroduto.
• elevada resistência ao estiramento, ao creep, à corrosão,
à quebra e à diminuição de seção do condutor.
• ausência de manutenção.
• extra proteção contra possíveis problemas durante a
operação do sistema.
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VI. RECICLAGEM
A . Introdução
Durante milhares de anos, o cobre e suas ligas
foram reciclados. Isto tem sido uma prática econômica
normal. Dizia-se que uma as maravilhas do mundo, o
Colosso de Rhodes, uma estátua que se estendia ao longo da
entrada do porto de Rhodes, era feita de cobre. Não restou
nenhum vestígio do monumento, uma vez que ele foi
reciclado para a confecção de outros objetos.
Na Idade Média, após o término da guerra era
comum a fusão de canhões de bronze para a manufatura de
objetos mais úteis, e, em tempos de combate, até os sinos
das igrejas eram utilizados na manufatura de canhões
.Toda a indústria do cobre e de suas ligas depende
da reciclagem econômica de sucata e refugos. Existe uma
linha extensa de produtos à base de cobre que se destina a
uma grande variedade de aplicações.
B. Sucata de Cobre
O uso comercial habitual para o cobre puro se
refere a aplicações mais delicadas, tais como a produção de
fios destinados aaplicações elétricas. É essencial que a
pureza seja mantida para garantir a alta condutividade,
capacidade de recozimento consistente e que não haja
quebras durante a produção do vergalhão e subseqüente
manufatura do fio. As superfícies não podem ter falhas,
conseqüentemente, o fio de cobre deve ter uma qualidade de
superfície excelente. Cobre primário da melhor qualidade é
utilizado na produção do vergalhão para essa finalidade.
 A sucata obtida em processos de reciclagem não-
contaminados e outros tipos de sucata que foram
recuperadas eletroliticamente também podem ser utilizadas.
Além do uso na eletricidade, o cobre também é
utilizado para fabricar uma grande quantidade de tubos,
chapas para cobertura de telhado, trocadores de calor etc.
Nesses casos, não é necessário um alto grau de
condutibilidade elétrica e os outros requisitos de qualidade
não são tão onerosos. O cobre secundário pode ser utilizado
na produção desses materiais, embora dentro de um limite
estipulado para impurezas.
 Cobre de boa qualidade e com alta condutibilidade
pode ser reciclado pela simples fusão e inspeção antes da
fundição,seja para o formato final ou para fabricação
posterior. Entretanto, esse processo só é válido para sucatas
obtidas em ambientes de manuseio exclusivo de cobre.
Quando o cobre se contaminar e for necessário o seu novo
refino, normalmente será necessário derretê-lo e fundí-lo no
formato de anodo para que seja purificado eletroliticamente.
Se, no entanto, o nível de impurezas no anodo for
significativo, é pouco provável que o catodo produzido vá
atender aos altos padrões exigidos para o cobre 'A', utilizado
na fabricação de fios e cabos elétricos.
C. Sucata de Latão
A reciclagem da sucata de latão é essencial para a
indústria. O latão para extrusão e
estampagem a quente é normalmente obtido a partir da fusão
de sucata com composição similar e corrigido pela adição de
cobre virgem ou zinco, conforme o caso, para atender às
especificações antes de vertê-lo.
A presença de outros materiais no latão, como o
chumbo,é freqüentemente necessária para melhorar a sua
usinagem,de forma que esses elementos são em geral
aceitáveis.
 A sucata de latão, originada nas operações de
usinagem, pode ser fundida economicamente mas deve ser
isenta de excesso de lubrificantes, especialmente daqueles
que contêm compostos orgânicos que causam fumaça,
inaceitável durante o processo de fusão.
 Quando o latão é fundido de novo, existe
normalmente alguma evaporação do zinco mais volátil. Isso
é compensado no líquido para corrigir a especificação.
O latão que será manufaturado no formato de
chapas e tirasdeve ser consideravelmente livre de impurezas
a fim de manter a ductibilidade quando resfriado. Ele pode
ser enrolado, repuxado, estampado, rebitado ou sofrer
qualquer outra forma de moldagem a frio. É normal,
portanto, fabricá-lo a partir do cobre virgem ou zinco,
preponderantemente em conjunto com sucata processada a
partir de um método limpo, cuidadosamente triado e
identificado.
D. Sucata de Bronze
Ligas de cobre como bronzes fosforosos, bronzes
duros, bronzes com chumbo e bronzes com alumínio são
normalmente elaboradas segundo padrões rígidos, a fim de
garantir a qualidade para aplicações específicas. Elas são
feitas a partir de lingotes de composição garantida em
conjunto com sucata de composição idêntica, obtida em
processo de separação criteriosa. Nos casos em que a sucata
for misturada ou tiver composição indefinida, ela é
primeiramente dissolvida por um fabricante de lingotes e
analisada a fim de que a composição seja corrigida para os
padrões da liga.
Quando o cobre e sucatas de ligas de cobre
estiverem muito contaminados e impróprios para a simples
fusão, eles podem ser reciclados por outros meios para a
recuperação do cobre, seja como metal ou para obtenção dos
vários compostos essenciais para aplicações industriais e na
agricultura.
E. 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 a
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.
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F. Valor do produto
Um produto de alta qualidade pode ser obtido se a
sucata for de cobre puro e não estiver contaminada por nada
indesejável. Da mesma forma, se a sucata for proveniente de
somente uma formulação de liga, é mais fácil derretê-la e
obter um produto de boa qualidade, embora possa haver
necessidade de alguma correção na composição durante a
fusão.
Neste processo, se a sucata for misturada,
contaminada ou tiver outros elementos, como solda, será
mais difícil ajustar a composição para dentro dos limites
especificados. Nos casos em que o chumbo ou estanho
estiverem presentes, normalmente será possível corrigir a
composição com a adição de mais chumbo ou estanho para
fazer bronze com chumbo. No caso de sucatas contaminadas
com elementos indesejáveis, estes podem ser diluídos
durante a fusão, de forma que o nível de impurezas fique
dentro das especificações. Todas essas técnicas preservam
bastante o valor da sucata.
VII . REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Site da Internet:
[1] Procobre – Instituto Brasileiro do Cobre –
www.procobrebrasil.org