INFLUÊNCIA DO TRABALHO A FRIO NA RESISTIVIDADE ELÉTRICA DO COBRE ELETROLITICO UNS C11000

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1 INFLUÊNCIA DO TRABALHO A FRIO NA RESISTIVIDADE ELÉTRICA DO COBRE ELETROLITICO UNS C11000 Vinicius Torres dos Santos, 1,2 Márcio Rodrigues da Silva, 1,2 Fabio Rúbio, 1 Nilson Yukihiro Tamashiro, 1 Silvio Celso Peixoto Gomes, 1 1 Centro Educacional da Fundação Salvador Arena, Estrada dos Alvarengas, 4001, São Bernardo do Campo, SP 2 Termomecanica São Paulo S.A., Avenida Caminho do Mar, 2600, Rudge Ramos, São Bernardo do Campo, SP pro13437@cefsa.edu.br Resumo: O objetivo desse trabalho é obter correlações entre o percentual de redução de área praticado no trabalho a frio com os valores de resistividade elétrica em amostras de cobre eletrolítico UNS C O trabalho a frio praticado no processo de fabricação do cobre eletrolítico é responsável pela obtenção das propriedades mecânicas do material, porém, ao aplicar as reduções de área, ocorre o aumento da resistividade elétrica e como consequência a redução da condutividade elétrica. As amostras foram submetidas ao processo de recozimento e conformadas posteriormente em trefila retilínea, tendo suas propriedades mecânicas e elétricas avaliadas antes e depois do processo de trefilação. As propriedades mecânicas foram avaliadas por meio do ensaio de tração, permitindo a obtenção dos valores de limite de resistência à tração e limite de escoamento. No que diz respeito ao ensaio de resistividade, utilizou-se aparato experimental elétrico para a leitura em um comprimento de amostra no valor de 1 metro. O resultado deste trabalho demonstra que o cobre eletrolítico UNS C11000, encruado, com reduções de área entre 8,80 % e 10,06 %, apresentam condutividade elétrica muito próxima à do cobre recozido, de 100,0 % IACS. Palavras-chave: Cobre Eletrolitico; Resistividade Elétrica; Trabalho a Frio. 1. INTRODUÇÃO O cobre e suas ligas constitui um dos principais grupos de metais comerciais, os quais vêm sendo amplamente utilizados na indústria, devido à sua excelente condutividade elétrica e térmica, além de elevada resistência à corrosão. O cobre comercialmente puro é muito utilizado para fabricação de fios e cabos, contatos elétricos, e vários outros componentes condutores de energia elétrica. O cobre ligado a outros elementos forma ligas, como os bronzes alumínio, que expandem o campo de aplicação do cobre (ASM, 1992 apud Silva, 2015). 5740

2 O cobre tem número atômico 29, massa molecular de 63,54 e estrutura cristalina cúbica de face centrada (CFC). É um elemento de transição e, por ser um metal nobre, conta com propriedades semelhantes às da prata e do ouro. Sua excelente condutividade, maleabilidade e resistência à corrosão derivam da origem elementar do cobre, e sua densidade é de 8,89 g/cm³ (0,321 lb/pol³). Seu ponto de fusão está na ordem de 1083,0 C (Mendenhall, 1986). A condutividade elétrica do cobre é uma das principais características que o difere dos demais metais, sendo importante ressaltar que a condutividade elétrica dos materiais é medida comparando-a a uma barra de cobre puro, na qual em 1913 foi atribuído o valor de 100% IACS (International Annealed Copper Standard Padrão Internacional do Cobre Recozido). Desde aquela época, a melhoria das técnicas de processamento e lingotes de pureza mais elevados resultou em um cobre comercial com valores de condutividade elétrica ligeiramente acima de 100% IACS (CDA, 2018). Para a condutividade de 100% IACS, considera-se a resistividade elétrica padrão do cobre na ordem de 0, Ω.mm²/m, medida à uma temperatura de 20,0 C (ASTM B187, 2012). Dentro da família das ligas de cobre existem diversas ligas que são conhecidas pelas baixas resistividades elétricas, entretanto, comercialmente as ligas mais utilizadas em aplicações elétricas estão demonstradas a seguir na Tabela 1. Tabela 1. Composição química das principais ligas de cobre condutoras (Adaptado de ASTM B187, 2012). Designação UNS Elementos Químicos (% em peso) Cu Ag O C ,95 mín. - 0,0010 máx. C ,95 mín. 0,027 mín. 0,0010 máx. C ,95 mín. 0,085 mín. 0,0010 máx. C ,90 mín. - - Obs.1: O valor do cobre é determinado pela diferença entre 100,0 % e o total de impurezas Os defeitos cristalinos de um metal funcionam como centros de dispersão para os elétrons de condução dos metais, portanto, aumentando-se o número de defeitos, se aumenta também a resistividade elétrica do material, provocando a redução da condutividade elétrica. A concentração dessas imperfeições depende da temperatura, composição química e o grau de trabalho a frio de um determinado metal. Sendo assim, foi comprovado experimentalmente que a resistividade total de um metal é a soma das contribuições de vibrações térmicas, impurezas e deformação plástica. Para expressar 5741

3 matematicamente a resistividade total, pode-se utilizar a equação da regra de Matthiessen (Callister, 2001). Em que: ρρρρρρρρρρρρ = ρρρρ + ρρρρ + ρρρρ ρt: resistividade elétrica gerada por temperatura; ρi: resistividade elétrica gerada por impurezas; ρd: resistividade elétrica gerada por deformação. A Figura 1, a seguir, ilustra os resultados de resistividade elétrica para amostras de cobre em diferentes condições e temperaturas, demonstrando a influência das variáveis da equação de Matthiessen. Figura 1. Influência das variáveis de Matthiessen na resistividade elétrica do cobre (Callister, 2001). Na Tabela 2, a seguir, são mostrados os valores máximos de resistividade elétrica e os valores mínimos correspondentes à condutividade elétrica dos principais cobres condutores comercialmente utilizados. 5742

4 2012). Tabela 2. Propriedades mecânicas e elétricas dos cobres condutores (Adaptado de ASTM B187, Designação UNS C10200 C10400 C10700 C11000 C10200 C10400 C10700 C11000 Tempera Resistência à Tração (MPa) Limite de Escoamento (MPa) Resistência Elétrica a 20,0 C (Ω.mm²/m) Condutividade. Elétrica a 20,0 C (% IACS) Recozido mín. 0, máx. 100,0 % mín. ½ Duro , máx. 98,4 % mín. Obs.2: ½ Duro é uma das designações dada a materiais trabalhados a frio (ASTM B601). É possível notar que, para os materiais na têmpera ½ Duro, correspondente a materiais trabalhados a frio, a norma ASTM B187 especifica um limite máximo de resistividade elétrica, superior em relação aos materiais recozidos, estando em conformidade com a teoria de que materiais deformados apresentam maior resistividade elétrica, e como consequência, menor condutividade elétrica. O objetivo principal desse trabalho é realizar o trabalho a frio (redução de área) em amostras de cobre eletrolítico UNS C11000, recozidas em trefila retilínea, e avaliar suas propriedades mecânicas (limite de resistência à tração e limite de escoamento) e elétricas, antes e depois do trabalho a frio. Objetiva-se também a avaliação dos resultados gerados, correlacionando tração, escoamento e redução de área com a resistividade elétrica do cobre eletrolítico UNS C11000, vislumbrando a possibilidade de obter-se uma condutibilidade elétrica igual ou maior que 100,0 % IACS no material trabalhado a frio. 2. MATERIAIS E MÉTODOS Os materiais utilizados neste estudo, no processo de conformação a frio, para posteriores ensaios mecânicos e elétricos, são amostras de barras de cobre eletrolítico UNS C11000, com composição química conforme item A2 ao A6 da Tabela 3. O item A1 refere-se à composição química padrão, prevista na norma ASTM B187 (2012). Para análise da composição química das amostras utilizou-se o equipamento de espectrometria fluorescente óptica, modelo SPECTROLAB M

5 Tabela 3. Comparação da composição química padrão prevista na norma ASTM B187 com a composição química utilizada no estudo. Elementos Químicos (% em peso) A1 Composição química conforme ASTM B187 99,95 mín. A2 99,97 A3 99,97 A4 Composição química utilizada para o trabalho 99,95 A5 99,96 A6 99, Métodos O principal aparato experimental é o equipamento de trefilação retilínea com capacidade nominal de 10 toneladas de força, concentradas em uma via. O ferramental de conformação é uma fieira da marca ESTEVES, a qual possui estrutura externa de aço e núcleo (inserto) de metal duro (carbeto de tungstênio) com ângulo de entrada de 67 e ângulo de trabalho de 46 conforme ilustrado na figura 2. Cu Figura 2. Ângulo de entrada e ângulo de trabalho do inserto da fieira. Para realização dos ensaios de tração, utilizou-se o equipamento da marca INSTRON série 4482 com capacidade de 100 kn. A realização do ensaio de tração, bem como a confecção dos corpos de prova foram feitos de acordo com a ASTM E8. Os ensaios de resistividade elétrica foram feitos de acordo com a ASTM B193 nas amostras com comprimento de 1 metro no aparato experimental elétrico ilustrado na figura 3 a seguir. 5744

6 Figura 3. Representação esquemática do aparato experimental elétrico. Referente à quantidade amostral, foram coletadas e identificadas 100 amostras do cobre eletrolítico recozido e avaliadas as suas propriedades mecânicas e elétricas antes do trabalho a frio. Os resultados dos ensaios estão descritos na figura 4 a seguir. Figura 4. Resultados das propriedades mecânicas e elétricas do cobre eletrolítico recozido. As amostras foram direcionadas ao trabalho a frio seguindo exatamente a identificação inicial com o objetivo de proporcionar a correlação dos resultados das amostras deformadas com as amostras recozidas. È importante destacar que as medições dos dimensionais para a determinação da área foram feitas antes e depois do processo de trefilação, sendo que, para evitar as questões relacionadas à contração, as barras trefiladas tiveram suas seções transversais medidas somente quando os materiais apresentavam temperatura ambiente. 5745

7 Na figura 5 a seguir são apresentados os percentuais de redução de área a qual cada amostra foi submetida destacando o limite mínimo de 8,80% na amostra S8 e o limite máximo de 10,06% na amostra S50. Figura 5. Percentual de redução de área aplicado em cada amostra. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES Com os percentuais de redução de área descritos na figura 5, as amostras foram submetidas ao trabalho a frio na trefila retilínea de forma sequencial, ou seja, iniciou-se na amostra S1 e finalizou a conformação na amostra S100. Os resultados das propriedades mecânicas e elétricas das barras encruadas são descritos na figura 6 a seguir. Figura 6. Resultados das propriedades mecânicas e elétricas do cobre eletrolítico encruado. 5746

8 A figura 7 a seguir evidencia o aumento das propriedades mecânicas no material encruado, obtendo-se uma diferença de 25,01 MPa e 169,950 MPa nas médias dos limites de resistência à tração e limite de escoamento, respectivamente. Figura 7. Distribuição do aumento da resistência à tração e do limite de escoamento. Destaca-se o fato de que o limite de escoamento para materiais encruados não é previsto na norma ASTM B-187, todavia, avaliou-se esse quesito com o objetivo de avaliar a influência do encruamento no cobre eletrolítico. Por fim, as resistividades elétricas das amostras foram medidas, onde verificou-se o aumento dos resultados no material encruado, tendo-se uma média, para as 100 amostras analisadas, 1,610 x 10-4 Ω.mm²/m maior nas amostras encruadas em comparação à média dos resultados das amostras recozidas, o que representa uma redução de 0,9350 %IACS na condutividade elétrica, visto que essas propriedades são inversamente relacionadas. Na figura 8 são demonstradas as distribuições da resistividade e da condutividade elétrica para a condição de material recozido e encruada. Figura 8. Distribuição do aumento da resistividade e da redução da condutividade elétrica. 5747

9 4. CONCLUSÃO Com base nos resultados obtidos nos ensaios mecânicos constatou-se que percentuais de redução de área no trabalho a frio (trefilação) entre 8,80 à 10,06% promove uma moderada elevação da resistência a tração, porem é importante destacar que os valores obtidos atende a faixa solicitado na norma ASTM B187 ( MPa). Conclui-se também que os valores referentes ao limite de escoamento apresentaram elevação significativa, confirmando a influência a qual o encruamento exerceu sob o cobre eletrolítico. Constatou-se também que a aplicação dos percentuais de redução de área aplicados nesse estudo proporcionou o aumento da resistividade elétrica na ordem de 1,610 x 10-4 Ω.mm²/m, representando uma redução na condutividade em 0,9350% IACS, portanto, conclui-se que a obtenção do cobre eletrolítico encruado com resistividade elétrica próxima a do cobre recozido é possível aplicando percentuais de redução de área no trabalho a frio entre 8,80 à 10,6%. 5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a Dra. Regina Celi Venâncio em nome do conselho curador da Fundação Salvador Arena, Luiz Henrique Caveagna em nome de todo o time da Pesquisa e Desenvolvimento e Laboratório da Termomecanica São Paulo S/A, Valcir Shigueru Omori em nome de toda a equipe do Centro Educacional da Fundação Salvador Arena pelo incentivo ao desenvolvimento desse trabalho e pela disponibilização da estrutura para confecção das amostras e testes laboratoriais. 6. REFERÊNCIAS ASM Metals Handbook; volume 2, Properties and selection: Nonferrous alloy and specialpurpose materials, 1992, ASM International, 3470p. ASTM E8, 2012, Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials, ASTM International. ASTM B187, 2012, Standard Specification for Copper, Bus Bar, Rod, and Shapes and General Purpose Rod, Bar, and Shapes, ASTM International ASTM B193, 2012, Standard Test Method for Resistivity of Electrical Condutor Materials, ASTM International ASTM B601, 2012, Standard Classification for Temper Designations for Copper and Copper Alloys Wrought and Cast, ASTM International CDA, The Copper Advantage. Copper Development Association,

10 Callister, W. D., Fundamentals of Materials Science and Engineering, Publishing John Wiley & Sons, Inc, Mendenhall, J.H., 1986, Understanding Copper Alloys. Robert E. Krieger Publishing Co., Malabar, FL Silva, M.R., 2015, Estudo do efeito da fase β na usinabilidade de ligas de latão livres de chumbo. 132 f. Dissertação (Mestrado) Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo. 7. DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no trabalho. COLD WORKING INFLUENCE ON THE ELECTRICAL RESISTIVITY OF UNS C11000 ELETROLYTIC COPPER Abstract: The objective of this paper is to obtain correlationship between the percentage of area reduction practiced in cold work with the values of electrical resistivity in samples of electrolytic copper UNS C The cold work used in the electrolytic copper production process is responsible for obtaining the mechanical properties. However, when applying the area reductions, the electrical resistivity increases and as a consequence the reduction of the electric conductivity. The samples were submitted to the annealing process and then formed into rectilinear drawing, having their mechanical and electrical properties evaluated before and after the drawing process. The mechanical properties are evaluated by tensile test, allowing to obtain the values of tensile strength and yield strength. Regarding the resistivity test, an electric experimental equipment was used to measure at a sample with 1 meter length. The result of this work demonstrates that the electrolytic copper UNS C11000 cold worked with area reductions between 8.80 and 10.06% has electrical conductivity equal to or greater than 100% IACS. Keywords: Eletrolytic Copper, Eletrical Resistivity, Cold Working 5749