Curso de MIQ - Profa. Simone P. Taguchi Borges DEMAR/EEL/USP COBRE E SUAS LIGAS

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1 Cobre e suas ligas 1 COBRE E SUAS LIGAS

2 Cobre e suas ligas 2 PRINCIPAIS RESERVAS DE COBRE Encontram-se no Chile, EUA, Canadá,, antiga URSS, Peru, Zambia e Zaire CUSTO 3-4 vezes mais caro que o Al e 6-7 vezes mais caro que o aço-carbono

3 Cobre e suas ligas 3 PROPRIEDADES FÍSICAS F DO COBRE Ponto de Fusão 1083 C Densidade 8,96 g/cm 3 Estrutura Cristalina cfc Resistividade Elétrica 1,673x10-6 ohm.cm Condutividade TérmicaT 0,941 cal/cm 2.s. C Retração ao solidificar 4,2%

4 Cobre e suas ligas 4 PROPRIEDADES MECÂNICAS Deforma-se facilmente Apresenta grande alongamento nos estados: recozido, encruado e fundido f (Elongação ~60%) Têm baixa dureza Apresenta elevada resistência à corrosão O COBRE é um material criogênico,, pois suas prop.. mecânicas melhoram a baixa temperatura. A temperatura do nitrogênio líquido l sua resist. é 50% superior à da temp. ambiente. As prop.. mecânicas do Cu permanecem satisfatórias até o C Cerca de 1/3 de todo o cobre produzido é de alguma forma usado na indústria elétrica

5 Cobre e suas ligas 5 A DUREZA DO COBRE PODE SER AUMENTADA POR Adição de elementos de liga (Cr, Cd) Tratamento térmicot Encruamento As ligas de cobre apresentam boas propriedades mecânicas e boa resistência à fadiga

6 Cobre e suas ligas 6 ELEMENTO RESIDUAL Prata Oxigênio Aumenta a condutividade térmica Aumenta a dureza Responsável pela fragilização

7 Cobre e suas ligas 7 CLASSIFICAÇÃO QUANTO AO TEOR DE COBRE I- Cobre IA- Tipos comerciais de Cu mínimo de 99,3% de Cu IB- Cobres Ligados elementos de liga <1% Podem ser dúcteis d ou para fundição II- Ligas de Cobre elementos de liga >1%

8 Cobre e suas ligas 8 O PROBLEMA DA PRESENÇA A DO OXIGÊNIO NO COBRE O oxigênio forma um composto eutético com o cobre (CuO 2 - Cu), de ponto de fusão mais baixo (1066 C) que o Cobre puro comercial, segregando então para a região intergranular. Isso faz-se que a haja perda da ductilidade Outro agravante dá-se na presença de gases redutores, como por exemplo H 2, e à temperaturas elevadas onde o composto eutético forma vapor d'água na região intergranular. Este fenômeno pode acontecer no processo de soldagem.

9 Cobre e suas ligas 9 TIPOS DE COBRE COMERCIAL (MÍNIMO DE Cu 99,3%) 1- COBRE ETP COBRE ELETROLÍTICO TENAZ 2- COBRE FRNC COBRE REFINADO À FOGO DE ALTA CONDUTIVIDADE 3- COBRE FRTP COBRE REFINADO À FOGO, TENAZ 4- COBRE CUOF COBRE ISENTO DE OXIGÊNIO 5- COBRE CU CAST COBRE RE-FUNDIDO 6- COBRE DLP COBRE DESOXIDADO COM FÓSFORO (Baixo teor de P) 7- COBRE DHP COBRE DESOXIDADO COM FÓSFORO (alto teor de P)

10 Cobre e suas ligas 10 TIPOS DE COBRE COMERCIAL (MÍNIMO DE Cu 99,3%) 1- COBRE ETP COBRE ELETROLÍTICO TICO TENAZ % Cu 99,9% no mínimom Oxigênio 0,02-0,07% 0,07% Condutividade no estado recozido Standard) Aplicações 100% IACS (International Anneald Cooper Industrias elétrica, mecânica, química, construção civil

11 Cobre e suas ligas 11 TIPOS DE COBRE COMERCIAL (MÍNIMO DE Cu 99,3%) 1- COBRE ETP COBRE ELETROLÍTICO TICO TENAZ APLICAÇÕES NA INDÚSTRIA ELÉTRICA Cabos para rede elétrica Linhas telefônicas Transformadores Peças de rádio r e TV Ânodos

12 Cobre e suas ligas 12 TIPOS DE COBRE COMERCIAL (MÍNIMO DE Cu 99,3%) 1- COBRE ETP COBRE ELETROLÍTICO TENAZ APLICAÇÕES NA INDÚSTRIA MECÂNICA Arruelas Rebites Radiadores de automóveis Trocadores de calor Fios, tiras, APLICAÇÕES NA INDÚSTRIA QUÍMICA Caldeiras Destiladores Tanques Alambiques APLICAÇÕES NA CONSTRUÇÃO CIVIL Objetos artísticos Telhados Calhas,

13 Cobre e suas ligas 13 TIPOS DE COBRE COMERCIAL (MÍNIMO DE Cu 99,3%) 2- COBRE FRNC COBRE REFINADO À FOGO DE ALTA CONDUTIVIDADE % Cu 99,9% Oxigênio Teor incerto (é( de menor custo) Condutividade 100% IACS Aplicações não tão nobres quanto o eletrolítico tico

14 Cobre e suas ligas 14 TIPOS DE COBRE COMERCIAL (MÍNIMO DE Cu 99,3%) 3- COBRE FRTP COBRE REFINADO À FOGO, TENAZ % Cu 99,8 % ou 99,85% Oxigênio Teor controlado Condutividade não é 100% IACS Impurezas teores maiores que o ETP e FRNC Aplicações mesmas do eletrolítico, tico, com restrições a indústria elétrica (não tão nobre)

15 Cobre e suas ligas 15 TIPOS DE COBRE COMERCIAL (MÍNIMO DE Cu 99,3%) 4- COBRE CUOF COBRE ISENTO DE OXIGÊNIO % Cu 99,95 % a 99,99% É o Cu eletrolítico tico sem óxido Condutividade 100% IACS É mais caro que os anteriores É resistente à fragilização pelo Hidrogênio APLICAÇÕES Equipamentos eletro-eletrônicos eletrônicos como: Peças para radar Antenas Ânodos de tubos de raios-x

16 Cobre e suas ligas 16 TIPOS DE COBRE COMERCIAL (MÍNIMO DE Cu 99,3%) 5- COBRE CU CAST COBRE REFUNDIDO GRAU A 99,75 A % de Cu GRAU B 99,5 B % de Cu É obtido de cobre secundário É destinado a fabricação de ligas de Cu

17 Cobre e suas ligas 17 TIPOS DE COBRE COMERCIAL (MÍNIMO DE Cu 99,3%) 6- COBRE DLP COBRE DESOXIDADO COM FÓSFOROF % Cu 99,85% de Cu Teor de Fósforo F é baixo 0,004-0,012% 0,012%

18 Cobre e suas ligas 18 TIPOS DE COBRE COMERCIAL (MÍNIMO DE Cu 99,3%) 7- COBRE DHP COBRE DESOXIDADO COM FÓSFOROF % Cu 99,9-99,8% de Cu Teor de Fósforo F é alto 0,015-0,04% 0,04%

19 Cobre e suas ligas 19 COBRES LIGADOS OU COBRES BAIXA LIGA CONTÉM M ELEMENTOS DE LIGA MENORES QUE 1% DÚCTEIS produtos semi-manufaturados manufaturados por conformação mecânica apresentam-se na forma de chapas, fios, arames, tiras, barras, tubos,.. PARA FUNDIÇÃO

20 Cobre e suas ligas 20 COBRES LIGADOS OU COBRES BAIXA LIGA PODEM SER REUNIDOS EM 3 GRUPOS DE LIGAS Ligas de alta condutividade elétrica (Ag) Ligas de alta resistência mecânica (As, Cd, Cr, Zr) Ligas de alta usinabilidade (Pb, Te, S, Se, Cd) Algumas ligas podem possuir uma ou + características dos grupos

21 Cobre e suas ligas 21 COBRES LIGADOS OU COBRES BAIXA LIGA LIGAS DE ALTA CONDUTIVIDADE TÉRMICA E ELÉTRICA PRINCIPAL ELEMENTO DE LIGA: Ag: 0,02-0,12% 0,12% A Ag melhora a resistência mecânica do Cu puro A Ag melhora a fluência do Cu puro a altas temperaturas A Ag tem solubilidade total no Cu nessas concentrações Condutividade elétrica % IACS APLICAÇÕES Na indústria elétrica, como: Bobinas, Interruptores, Aletas de radiadores, etc.

22 Cobre e suas ligas 22 COBRES LIGADOS OU COBRES BAIXA LIGA LIGAS DE ALTA RESISTÊNCIA MECÃNICA PRINCIPAL ELEMENTO DE LIGA: As: 0,013-0,05% 0,05% Tem condutividade elétrica % IACS O As melhora a resistência mecânica do Cu puro, principalmente à altas temperaturas O As melhora a resistência à corrosão do Cu puro APLICAÇÕES Na indústria química é usada em tubulações industriais que entram em contato com líquidos e gases pouco corrosivos Na construção mecânica em trocadores de calor, tubulações para caldeiras

23 Cobre e suas ligas 23 COBRES LIGADOS OU COBRES BAIXA LIGA LIGAS DE ALTA RESISTÊNCIA MECÃNICA PRINCIPAL ELEMENTO DE LIGA: Cd: 0,6-1% Tem condutividade elétrica 80 % IACS O Cd é solúvel no Cu O Cd melhora a resistência mecânica, à fadiga e ao desgaste do Cu puro Esse cobre ligado apresenta elevada resistência ao amolecimento pelo aquecimento

24 Cobre e suas ligas 24 COBRES LIGADOS OU COBRES BAIXA LIGA LIGAS DE ALTA RESISTÊNCIA MECÃNICA PRINCIPAL ELEMENTO DE LIGA: Cd: 0,6-1% Tem condutividade elétrica 80 % IACS O Cd é solúvel no Cu O Cd melhora a resistência mecânica, à fadiga e ao desgaste do Cu puro Esse cobre ligado apresenta elevada resistência ao amolecimento pelo aquecimento Aplicações: Na indústria elétrica, molas de contato, linhas de transmissão

25 Cobre e suas ligas 25 COBRES LIGADOS OU COBRES BAIXA LIGA LIGAS DE ALTA RESISTÊNCIA MECÃNICA PRINCIPAL ELEMENTO DE LIGA: Cr: 0,8% Tem condutividade elétrica 80-85% IACS O Cr não é totalmente solúvel no Cu Esse cobre ligado pode ser tratado termicamente por solubilização para melhorar as propriedades mecânicas em geral

26 Cobre e suas ligas 26 COBRES LIGADOS OU COBRES BAIXA LIGA LIGAS DE ALTA RESISTÊNCIA MECÃNICA PRINCIPAL ELEMENTO DE LIGA: Zr: : 0,1-0,25% 0,25% Tem condutividade elétrica 90% IACS O Zr é solúvel no Cu Esse cobre ligado pode ser tratado termicamente por solubilização para melhorar as propriedades mecânicas em geral Aplicações na indústria elétrica, especialmente em aplicações em que estão sujeitas à alta solicitação

27 Cobre e suas ligas 27 COBRES LIGADOS OU COBRES BAIXA LIGA LIGAS DE ALTA USINABILIDADE Essas ligas combinam alta condutividade elétrica e boa usinabilidade Cu-Te (0,3-0,8%) usinabilidade 85 Cu-S (0,2-0,5%) usinabilidade 85 Cu-Se Cu-Pb (0,8-1,3%) usinabilidade 85 Cu-Cd Cd (0,8%)-Sn (0,6%) usado em cabos aéreos a de metrô, eletrodos para solda elétrica

28 Cobre e suas ligas 28 COBRES LIGADOS OU COBRES BAIXA LIGA COBRE LIGADO PARA FUNDIÇÃO Cu (99-99,5) 99,5)-Cr (1%)-Si (0,1%) Apresenta resistência à tração mínima m de 37 kgf/mm 2 Cu-Cr Cr (0,6-12%)

29 Cobre e suas ligas 29 LIGAS DE COBRE CONTÉM M ELEMENTOS DE LIGA EM TEORES MAIORES QUE 1% Latões (Cu-Zn) dúcteis e para fundição Bronzes (Cu-Sn) dúcteis e para fundição Cu-Ni Cu-Ni Ni-Zn (alpacas) Cu-Al Cu-Be Cu-Si

30 Cobre e suas ligas 30 LATÕES (Cu-Zn) LIGAS DE COBRE Latão CONTÉM M Cu e Zn (5-50%)( 50%) com ou sem adição de elementos secundários INFLUÊNCIA DO Zn Aumenta a resistência mecânica Baixa o ponto de fusão Baixa o custo

31 Cobre e suas ligas 31 TIPOS DE LATÕES (Cu-Zn) Latão binário Cu e Zn Latão com Pb Cu, Zn e Pb (o Pb melhora a usinabilidade) Latões especiais Cu e Zn (com ou sem Pb) e outros elementos de liga que proporcionam determinadas características (Al, Sn)

32 Cobre e suas ligas 32 LATÕES BINÁRIOS (Cu-Zn) Fase α cfc,, dúctil d e tenaz Fase ß ccc, é + resistente A resistência à tração aumenta com o teor de Zn e a resistência à corrosão diminui (processo de dezinficação corrosão preferencial do Zn) A partir de 30% de Zn a ductilidade começa a a diminuir Até 37% de Zn fase α (latões α) 37-45% de Zn fases α e ß (latões α+ ß) 46-50% de Zn fase ß (latões ß) Acima de 50% de Zn começa a a precipitar a fase γ que é quebradiça Por isso os latões com %Zn> 50% não tem uso comercial

33 Cobre e suas ligas 33 EXEMPLOS LATÕES α LATÃO α PROPRIEDADES APLICAÇÕES É dourada Cartuchos de armas Cu-Zn 95-5 É de fácil conformação à frio Medalhas É resistente à corrosão sob Moedas tensão Objetos decorativos É resistente à dezinficação Cu-Zn Também conhecida como bronze comercial Cu-Zn CONHECIDO COMO LATÃO VERMELHO Apresenta as mesmas características do Latão 95-5 Apresenta propriedades também semelhantes aos latões 95-5 e 90-10, porém é: Mais dúctil Mais resistente Arquitetura (ferragens, condutos) Objetos ornamentais Zippers Outros componentes obtidos por conformação Cu-Zn Cu-Zn É conhecido como latão para cartucho Cu-Zn É também conhecida como metal muntz Elevada conformabilidade à frio Resistência `a corrosão sob tensão Resistência à dezinficação Combinam alta resistência e ductilidade Possui elevado alongamento Liga apropriada para estampagem É uma liga para trabalho à quente É latão α+ β Apresenta ponto de fusão inferior ao latão α Fins decorativos Artigos de uso doméstico Peças para automóveis Cartuchos Arames para rebites Parafusos Produtos semimanufaturados (placas, barras, perfis) Trocadores de calor

34 Cobre e suas ligas 34 LATÕES COM Pb O Pb é insolúvel no Cobre, formando pequenas bolsas (Efeito lubrificante) O Pb é adicionado para melhorar a usinabilidade APLICAÇÕES Peças a serem usinadas (parafusos, porcas, rebites, ) ) e peças sujeitas a atrito

35 Cobre e suas ligas 35 LATÕES COM Pb Cu= 60-63% Pb= 2,5-3,7% Zn= = restante Estrutura predominante é α Suporta deformação à frio limitadas É bastante usado nos EUA Cu= 56-60% 60% Pb= 2-3,5% 2 Zn= restante Tem na estrutura mais fase ß Suporta mais a deformação à quente É mais barato É bastante usado na Europa

36 Cobre e suas ligas 36 LATÕES ESPECIAIS ELEMENTOS DE LIGA PRESENTES NOS LATÕES ESPECIAIS Al As Sn Mg Ni CuZn28Al2, com pequenos teores de As podendo conter Pb Si Fe O Al melhora a resistência mecânica Esta liga apresenta boa resistência à corrosão devido a presença do Al e do As O As diminui o problema da dezinficação

37 Cobre e suas ligas 37 LATÕES PARA FUNDIÇÃO Os latões binários são pouco usados para fundição A maioria das ligas de fundição contém m Pb e Sn PAPEL DO Pb Facilita a usinagem Aumenta a estanquiedade (diminui porosidade) PAPEL DO Sn Melhora a resistência à dezinficação Permite a utilização de sucata com Sn EXEMPLOS DE PEÇAS FUNDIDAS Hélices de navios, Lemes de navios, Rotores para turbinas movidas à agua, Buchas, Engrenagens, Eixos

38 Cobre e suas ligas 38 BRONZES (Cu+Sn) CARACTERÍSTICAS GERAIS DOS BRONZES Elevada resistência à corrosão A dureza e a resistência mecânica aumentam com o teor de Sn A partir de 5% de Sn a ductilidade diminui

39 Cobre e suas ligas 39 BRONZES (Cu+Sn) FASES Fase α cfc,, dúctil d e tenaz Fase γ é + dura ELEMENTO DE LIGA P (até 0,4%) Pb Zn PROPRIEDADES Melhora a resistência mecânica Atua como desoxidante Constitui a classe dos bronzes fosforosos Melhora as propriedades anti-fricção Melhora a usinabilidade Diminui a porosidade Aumenta a resistência mecânica Atua como desoxidante em peças fundidas

40 Cobre e suas ligas 40 PRINCIPAIS BRONZES COMERCIAIS BRONZES α LIGA Cu-Sn 98-2 Cu-Sn 96-4 Cu-Sn 95-5 PROPRIEDADES Liga monofásica com pequenos teores de P Apresenta boa resistência à corrosão Apresenta boa conformabilidade à frio A condutividade elétrica é 40% IACS Aplicações: - Ind. Elétrica : contatos, molas condutoras - Ind. Mecânica: tubos flexíveis, parafusos, rebites, varetas de solda Liga monofásica com teores de P Apresenta maior dureza e maior resistência mecânica que a anterior Têm maior resistência mecânica que a anterior Têm resistência mecânica, à fadiga e ao desgaste, Cu-Sn 94-6 bem como maior resist. à tração e à corrosão que as demais ligas anteriores

41 Cobre e suas ligas 41 PRINCIPAIS BRONZES COMERCIAIS BRONZES α + γ LIGA Cu-Sn 92-8 Cu-Sn PROPRIEDADES Tem elevada resistência à fadiga e ao desgaste Apresenta características anti-friçção (usado na fabricação de discos anti-fricção) Possui maior dureza e maior resistência mecânica de todos os bronzes dúcteis Tem elevada resistência à fadiga e ao desgaste Apresenta características anti-friçção

42 Cobre e suas ligas 42 PRINCIPAIS BRONZES COMERCIAIS BRONZES PARA FUNDIÇÃO LIGA APLICAÇÕES Cu-Sn Pb1 Ni1 Buchas e engrenagens para diversos fins Cu-Sn 85-5 Pb9 Zn1 Mancais e buchas pequenas Cu-Sn Pb10 Cu-Sn 78-7 Pb15 Cu-Sn 70-5 Pb25 Mancais para altas velocidades e grandes pressões, mancais para laminadores Mancais para pressões médias, mancais para automóveis Mancais para altas velocidades e pequenas pressões

43 Cobre e suas ligas 43 LIGAS CUPRONÍQUEIS (Cu + Ni) Apresentam excelente resistência à corrosão, especialmente à água do mar; São dúcteis, Permanecem monofásicas para qualquer composição, Podem ser trabalhadas a frio e à quente; Algumas ligas apresentam resistividade independente da temperatura (aplicações em resistência elétrica) A medida que aumenta o teor de Ni aumenta a dureza, a resistência mecânica e o limite a fadiga; Nas ligas comerciais o teor de Ni varia de % A maioria das ligas Cuproníqueis contém Fe e Mn em teores em torno de 2%, para elevar a resist. à corrosão.

44 Cobre e suas ligas 44 LIGAS CUPRONÍQUEIS (Cu + Ni) LIGA Ligas com 5% de Ni contendo Fe e Mn APLICAÇÕES Indústria naval, tubos condutores de água do mar, serviços sanitários. Ligas com 10% de Ni Ligas com 20% de Ni Ligas com 45% de Ni (CONSTANTAN) Indústria naval, tubos para condensadores e aquecedores. Indústria elétrica: resistores, guias de onda para radar Ind. Mecânica: aquecedores de água doméstica, moedas, medalhas. Elementos de aquecimento, termopares (a resistência independe da temperatura)

45 Cobre e suas ligas 45 LIGAS CUPRONÍQUEIS PARA FUNDIÇÃO (Cu + Ni) A maioria das ligas contém m Si, Fe e Mn, além m do Cu-Ni Aplicações das ligas para fundição: Buchas Flanges Conecções

46 Cobre e suas ligas 46 LIGAS Cu + Ni + Zn ALPACAS COMPOSIÇÃO DAS ALPACAS: Ni: 10-30% Cu: 45-70% Zn: restante CARACTERÍSTICAS DAS ALPACAS: Cor esbranquiçada, ada, brilhante Tem elevada resistência à corrosão Podem ser deformadas a frio e a quente APLICAÇÕES DAS ALPACAS: Cutelaria Objetos decorativos Componentes de aparelhos ópticos e fotográficos ficos Molas de contato para equip. elétricos

47 Cobre e suas ligas 47 Elementos de liga que promovem o endurecimento por precipitação no Cu e suas ligas Si Al Be Elevado preço do Sn levou à sua substituição por Al, Be, Si e Pb

48 Cobre e suas ligas 48 LIGAS Cu + Al CARACTERÍSTICAS : Todas as ligas possuem boa resistência à corrosão A resist. varia de MPa COMPOSIÇÃO: Contém de 5-10% de Al ELEMENTOS DE LIGA que melhoram a resist. mec. e à corrosão - Ni: 7% - As: 0, 4% (pode conter) - Mn (até 3%) - Fe (até 6%) APLICAÇÕES : Tubos condensadores, Recipientes para a indústria química, Autoclaves, Instalações criogênicas, Tubos marítimos, Engrenagens, Buchas,

49 Cobre e suas ligas 49 LIGAS Cu + Be Composição : 1-2,7 % de Be Elementos de Liga : Co, Ni, Fe Características: Alta resist. Mecânica (A resist. varia de Mpa) Alta condutividade elétrica e térmica Aplicações : Molas de instrumentos ( o módulo de elasticidade dessas ligas é MPa) Componentes eletro-eletrônicos em geral

50 Cobre e suas ligas 50 LIGAS Cu + Si O Si melhora a resistência mecânica do Cu (a resist. varia de Mpa) e a resist. à corrosão O Si melhora a soldabilidade e a fundibilidade Composição das Ligas : 3-55% de Si para peças fundidas Elementos de liga: Zn, Fe, Mn Aplicações: Tanques, Tubulações, Parafusos, Eixos de hélice para navios,

51 Cobre e suas ligas 51

52 Cobre e suas ligas 52 TRATAMENTOS TÉRMICOS DO Cu E SUAS LIGAS Recozimento para homogeneização para peças fundidas Recozimento para recristalização para ligas trabalhadas à frio Temp. para o Cu: < 260 C Temp. para as ligas de Cu: C Alívio de tensões Solubilização e envelhecimento (bronzes ao Al e Si e ligas Cu-Be)