UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA DEM PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS - PGCEM RODRIGO DE OLIVEIRA ESTUDO DO PROCESSO DE LAMINAÇÃO DE FIOS DE COBRE: INFLUÊNCIA DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS E DA TEMPERATURA DE PROCESSAMENTO JOINVILLE, SC 2010
1 RODRIGO DE OLIVEIRA ESTUDO DO PROCESSO DE LAMINAÇÃO DE FIOS DE COBRE: INFLUÊNCIA DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS E DA TEMPERATURA DE PROCESSAMENTO Dissertação apresentada para a obtenção do título de mestre em Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade do Estado de Santa Catarina, Centro de Ciências Tecnológicas CCT. Orientador: Guilherme Ourique Verran JOINVILLE, SC 2010
2 ESTUDO DO PROCESSO DE LAMINAÇÃO DE FIOS DE COBRE: INFLUÊNCIA DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS E DA TEMPERATURA DE PROCESSAMENTO por RODRIGO DE OLIVEIRA Esta dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de MESTRE EM CIÊNCIA E ENGENHARI A DE MATERIAIS área de concentração em Metais, e aprovada em sua forma final pelo CURSO DE MESTRADO E M CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA. Dr. Guilherme Ourique Verran CCT/ UDESC (presidente orientador) Banca Examinadora: Joinville, 26 de julho de 2010. Prof. Dr. Carlos Henrique da Silva UTFPR Dr. César Edil da Costa CCT/ UDESC Dr. Júlio César G. Milan CCT/ UDESC
3 FICHA CATALOGRÁFICA O48e Oliveira, Rodrigo. Estudo do processo de laminação de fios de cobre: influência das propriedades mecânicas e da temperatura de processamento / Rodrigo de Oliveira; Orientador: Guilherme Ourique Verran 90 f.: il ; 30cm Incluem referências. Dissertação (mestrado) Universidade do Estado de Santa Catarina, Centro de Ciências Tecnológicas, Mestrado em Ciências e Engenharia de Materiais, Joinville, 2010. 1. Metais 2. Laminação. Verran, Guilherme Ourique. CDD 620.16
A minha esposa Helen e meus filhos Vinícius e Paola. 4
AGRADECIMENTOS 5 Ao Prof. Dr. Guilherme Ourique Verran, que como orientador e amigo soube cobrar, mas também não mediu esforços em oferecer todas as condições necessárias à realização do presente trabalho. À Universidade do Estado de Santa Catarina UDESC e ao Programa de Pósgraduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PGCEM pela realização do presente trabalho. Ao Centro de Ciências Tecnológicas e ao Departamento de Engenharia Mecânica pela infra-estrutura oferecida. À empresa WEG EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS S.A. pela disponibilização das instalações, materiais e equipamentos utilizados nesse trabalho. A todos os professores do Curso de Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais, que de uma forma direta ou indireta contribuíram para a realização desse trabalho. Aos amigos, pelo apoio técnico e moral recebido durante o desenvolvimento desse trabalho. A minha família pelo incentivo.
SUMÁRIO 6 Resumo... 8 Abstract... 9 1. INTRODUÇÃO... 10 1.1. Identificação do Problema... 10 1.2. Objetivos do Trabalho... 12 1.3. Conteúdo do Estudo... 12 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA... 14 2.1. Cobre... 14 2.1.1. Propriedades e características do cobre... 15 2.2. Endurecimento por Deformação Plástica... 16 2.2.1. Encruamento de Materiais Metálicos... 19 2.3. Microestrutura - Tamanho de Grão... 23 2.4. Tratamentos Térmicos... 24 2.4.1. Tratamentos Térmicos de recozimento...,... 25 2.4.2. Tratamentos Térmicos aplicados à materiais não ferrosos... 26 2.4.3. Tratamentos Térmicos Aplicado ao Cobre e Suas Ligas... 27 2.5. Processo de Laminação... 29 2.5.1. Cilindros de Laminação... 31 2.5.2. Relações Geométricas no processo de Laminação... 32 2.6. Lei da Conservação da Massa... 35 2.7. Coeficiente de Poisson e Parâmetro de anisotropia... 37 3. MÉTODOS EXPERIMENTAIS... 43 3.1. Definição e Preparação das amostras da Matéria prima... 43 3.1.1. Preparação das amostras recozimento da Matéria prima... 44 3.2. Análise das características mecânicas da Matéria prima... 46 3.2.1. Ensaio de Tração... 46
7 3.2.2. Ensaio de Dureza... 48 3.2.3. Análise Metalográfica... 49 3.3. Relação de experimentos laminação das amostras... 52 3.4. Análise das características mecânicas do fio laminado... 58 3.4.1. Ensaio de Tração do fio de cobre retangular laminado... 58 3.4.2. Ensaio de Dureza do fio de cobre retangular laminado... 58 3.4.3. Análise Metalográfica do fio de cobre retangular laminado... 58 3.5. Determinação do Parâmetro de anisotropia... 58 4. APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS... 61 4.1. Resultados dos ensaios realizados na matéria prima... 61 4.1.1. Resultados dos Ensaios de Tração da matéria prima... 61 4.1.2. Resultados dos Ensaios de Dureza da matéria prima... 63 4.1.3. Resultados da Análise Metalográfica da matéria prima... 65 4.2. Avaliação das características do material laminado... 68 4.2.1. Resultados do ensaio de tração do material laminado... 68 4.2.2. Resultados do ensaio de dureza do material laminado... 71 4.2.3. Resultados da análise metalográfica do material laminado... 72 4.1.4. Análise da deformação do material laminado... 75 5. CONCLUSÕES... 82 6. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS... 83 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 84 8. APÊNDICE... 86 8.1. Curvas de tração x deformação da matéria prima... 86 8.2. Curvas de tração x deformação da matéria prima... 88
8 RESUMO OLIVEIRA, Rodrigo. Estudo do processo de laminação de fios de cobre: influência das propriedades mecânicas e da temperatura de processamento 2010. 90f. Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia dos Materiais Área: Metais) Universidade do Estado de Santa Catarina, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Joinville, 2010. Para a utilização do fio retangular de cobre eletrolítico na fabricação de componentes de enrolamentos de geradores e transformadores, as dimensões e as propriedades mecânicas são fatores de extrema importância e devem ser conferidas e asseguradas durante o processo de fabricação. O objetivo do trabalho consiste em avaliar a influência da variação das propriedades mecânicas da matéria prima e de processo empregados na fabricação dos fios retangulares. O estudo foi desenvolvido com materiais de diferentes níveis de dureza e variação dos valores de temperatura do processo de laminação, para a avaliação da influência destas propriedades na deformação do material. A revisão bibliográfica apresenta os conceitos dos processos de manufatura de laminação, encruamento e recozimento do cobre, além de informações referentes ao material, como composição química, propriedades elétricas e mecânicas. A metodologia apresenta a laminação do cobre, com dimensões conhecidas, diferentes níveis de dureza e variação da temperatura do processo, sendo realizadas reduções determinadas de espessura e avaliado a deformação do material com o cálculo do parâmetro de anisotropia (R). Tanto para a matéria prima quanto para o material laminado, as características mecânicas e dimensionais, foram avaliadas. Após a realização dos experimentos e a avaliação dos resultados, pode-se verificar uma influência significativa da dureza da matéria prima sobre o comportamento da deformação do material na laminação. Palavras chaves: Cobre eletrolítico, Laminação, Fio de cobre retangular, Propriedades mecânicas.
ABSTRACT 9 OLIVEIRA, Rodrigo Study of the process of copper wire lamination: influence of the mechanical properties and the temperature of processing. 2010. 90p. Dissertation (Master Course in Science and Materials Engineering Area: Metals) Santa Catarina State University, Post Graduation Program in Science and Materials Engineering, Joinville, 2010. The application of the electrolytic copper rectangular wire to manufacturing of components of electric transformers and generators windings, the dimensions and mechanicals properties are factors of great importance and should be conferred and be assured during the manufacture process. The objective of this work consists of evaluating the influence of the variation of mechanical properties of the raw-material used to manufacture of rectangular wires. The study it was developed with materials of different values of hardness and variation of temperature in the lamination process, to the evaluation of the influences of this properties in the deformation of material. The revision of the chosen bibliography, presents the concepts of manufactures of lamination, strain hardening and annealing of copper, beyond referring information of the copper material, as chemical composition, electrical and mechanicals properties and etc. The methodology presents the lamination of copper material, with known dimensions and different values of hardness of raw-material, to determinate reductions of thickness of material, and was evaluated the behavior of material during the deformation, calculating the parameter of anisotropy (R).. The material processed was evaluated with relation the mechanical behavior (tractive assay) and dimension. After the accomplishment of the experiments and the evaluation of the results, a significant influence of the hardness of the substance can be verified cousin on the behavior of the deformation of the material in the lamination. Keywords Electrolytic copper, Lamination, Rectangular copper wire, mechanicals properties.