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O cobre é
possivelmente o metal há mais tempo utilizado pela humanidade. Registros
históricos citam a utilização do bronze (liga cobre-estanho) nos primórdios
da civilização, anterior mesmo à descoberta e ao uso do ferro. Entretanto,
atualmente o cobre é apenas o terceiro metal mais usado, atrás do ferro e do
alumínio, sendo que este último ultrapassou o cobre somente nas últimas
décadas, após a Segunda Guerra Mundial. Diversos fatores podem explicar esse
fenômeno, mas provavelmente o mais consistente está relacionado com o custo,
uma vez que o cobre está presente na crosta terrestre em quantidades muito
menores do que os dois metais mais utilizados. Entretanto, para determinadas
aplicações, o cobre comercialmente puro e as ligas de cobre ainda são
insuperáveis, devido às suas características físicas e químicas muito
peculiares.
O cobre puro é um
metal de transição cuja densidade (massa específica) é 8,96 g/cm3, o que
permite dizer que é um metal ainda mais “pesado” do que o ferro e muito mais
denso que o alumínio. Seu ponto de fusão é de 1083 ºC, mais baixo do que o
do ferro e mais alto do que o do alumínio. Mas sua propriedade física mais
importante é, sem dúvida, sua elevada condutibilidade elétrica, que é tomada
como referência e estabelecida como sendo 100 % IACS (International Annealed
Copper Standard), uma vez que o cobre puro, no estado recozido, tem uma
resistividade elétrica de apenas 0,15328 ohm.g/m2 a 20 ºC. Esse valor é bem
mais alto do que o do alumínio comercialmente puro no mesmo estado e
incomparavelmente mais alto do que o ferro puro no mesmo estado. Dentre os
metais conhecidos, somente a prata poderia superar a condutibilidade
elétrica do cobre, porém seu elevado custo comercial inviabiliza seu uso
industrial na mesma escala em que o cobre é atualmente usado.
O sistema da Copper
Development Association (CDA), também adotado pela ASTM, divide as ligas de
cobre segundo a seguinte classificação:
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Série CDA/ASTM |
Tipo de liga |
| C 1XX |
Cobre
comercialmente puro e cobre ligado |
| C 2XX |
Latão
binário (cobre-zinco) |
| C 3XX |
Latão
com chumbo (Cu-Zn-Pb) |
| C 4XX |
Latão
com estanho (Cu-Zn-Sn) |
| C 5XX |
Bronzes (cobre-estanho, com e sem fósforo) |
| C 6XX |
Cobre-alumínio, cobre silício |
| C 7XX |
Cuproníquel e alpaca |
Obs.:
as séries 8XX e 9XX são reservadas às ligas fundidas.
Neste sistema pode-se
identificar, por exemplo, a liga C 110 como um cobre comercialmente puro,
mais especificamente o cobre eletrolítico ETP, a liga 260 como o latão para
cartucho (70 % de cobre e 30 % de zinco), a liga 521 como um bronze
fosforoso (8 % de estanho) e a liga 757 como uma alpaca (65 % Cu – 23 % Zn –
12 % Ni), entre outros. O primeiro algarismo identifica o grupo da liga,
enquanto os demais identificam uma determinada liga especificamente. Uma
variação deste sistema admite até 5 algarismos de identificação, ao invés de
3. Neste caso, a liga C 260 é conhecida como C 26000, podendo variar os dois
últimos algarismos devido a uma pequena alteração de composição química..
Entretanto, vale ressaltar que comercialmente o mais utilizado é o sistema
de 3 algarismos, devido à sua maior praticidade.
a) Cobre
comercialmente puro
Para ser considerado como cobre, e não liga de cobre, o metal deve conter
99,3 % ou mais do elemento cobre, incluindo-se nesse total o teor de prata,
geralmente proveniente do minério, ao qual não se adiciona nenhum outro tipo
de elemento, exceto o que tenha sido adicionado para fins de desoxidação
[1].
Tipos de cobre
comercialmente puro:
- Cobre eletrolítico
(ETP ou 110): é o cobre inicialmente fundido (em placas ou tarugos) tendo
como matéria-prima o cobre eletrolítico geralmente produzido sob a forma
de anodos (chapas grossas), com um teor mínimo de cobre de 99,90 % (e
prata contida até 0,1 %), contendo um certo teor (admitido, porém
controlado) de oxigênio) com o objetivo de se conseguir no molde uma
superfície plana. A norma ASTM B 224 estabelece um teor de oxigênio entre
0,02 e 0,07 %, que também depende do teor de enxofre presente, sendo o
restante cobre (99,95 %), exceto um teor residual de impurezas de cerca de
0,01 % [1].
O cobre eletrolítico
tem assim a estabilidade das suas fases indicada pelo diagrama Cu-º No
intervalo desse diagrama que corresponde ao interessa comercial a liga sofre
uma reação eutética a 1066 ºC (para um teor de oxigênio de 0,39 %), formando,
com o resfriamento, as fases alfa (cobre praticamente isento de oxigênio) e
Cu2O. No estado sólido a solubilidade do oxigênio no cobre é muito baixa,
praticamente nula, de modo que praticamente todo o oxigênio está contido na
fase óxido. A estrutura fundida do cobre eletrolítico é constituída
basicamente por dendritas de fase alfa (matriz) com segregação do eutético
de cobre e Cu2O nos contornos da matriz. Entretanto, após intensa deformação
plástica resultante de processos de fabricação, como extrusão, trefilação e
laminação, a microestrutura se modifica bastante, aparecendo então os óxidos
como partículas isoladas distribuídas aleatoriamente na matriz. O efeito
dessas inclusões de óxidos sobre as propriedades mecânicas da matriz é
relativamente pequeno, pelo menos em comparação com outros tipos de cobre
comercialmente puro, como o “oxygen free high condutivity” (OFHC ou C 102).
A presença de oxigênio
pouco afeta a tenacidade do cobre eletrolítico, mas o teor de oxigênio deve
ser baixo o suficiente para garantir boa trabalhabilidade durante os
processo de fabricação/conformação. O teor de oxigênio depende do grau de
refino do cobre durante a fundição. Pode ser reduzido mediante o uso de
fósforo como desoxidante, caso do cobre com fósforo (C122 e C 123) ou de
fornos de fusão a vácuo (C102). Além da restrição quanto à trabalhabilidade,
o cobre com oxigênio não pode ser utilizado em atmosferas que contenham
gases redutores em alta temperatura, que modificariam a microestrutura do
material [2].
- Oxygen free high
condutivity copper (OFHC ou C 102): é o cobre eletrolítico que não
apresenta partículas de óxido, porém produzido sem o uso de agentes
químicos desoxidantes [3]. Também não apresenta em sua composição química
resíduos de agentes desoxidantes, como o fósforo [1]. Seu teor mínimo de
cobre é de 99,95 a 99,99 %.
- Cobre desoxidado
com fósforo, com baixo teor de fósforo (DLP ou C 122): é o cobre fundido e
vazado em molde, que não contêm óxido cuproso (Cu2O) e que é obtido
através do uso do fósforo com desoxidante não metálico (metalóide), com um
teor mínimo de cobre (e prata) de 99,90 % e teores residuais de fósforo
entre 0,004 e 10,12 %. Com esses teores de fósforo o decréscimo de
condutividade elétrica é ainda muito pequeno.
- Cobre desoxidado
com fósforo, com alto teor de fósforo (DHP ou C 123), obtido pelo mesmo
processo empregado para a fabricação do DLP, porém com um teor residual de
fósforo bem mais alto, entre 0,015 e 0,040 %. O teor mínimo de cobre (e
prata) está entre 99,80 e 99,90 % [1]. Estes teores do fósforo já
acarretam uma queda de condutividade elétrica mais significativa [3].
Existem outros tipos
de cobre comercialmente puro, como o refinado a fogo (FRHC) e o refinado a
fogo tenaz (FRTP), entretanto os que foram mencionados anteriormente
representam a parcela mais significativa dos tipos de cobre comercialmente
puros utilizados na indústria em geral.
Aplicações dos
diferentes tipos de cobre comercialmente puro:
Além da sua principal
aplicação, em fios e cabos condutores de transmissão de energia elétrica, o
cobre comercialmente puro pode ser usado na condução de energia térmica,
condução de fluidos e na construção civil. Suas principais características
são as altas condutividade térmica e elétrica, elevada resistência à
corrosão, alta trabalhabilidade (podem atingir 90 % de deformação sem
recozimentos intermediários) e aspecto adequado para aplicações
arquitetônicas e decorativas. O cobre com alto grau de pureza é o mais
indicado para aplicações na transmissão de energia elétrica e calor,
enquanto o cobre que contém teores residuais de fósforo é mais indicado para
a fabricação de tubos para a condução de fluidos e de um modo geral na
construção civil.
O cobre eletrolítico (ETP
ou C 110) é utilizado na fabricação de: cabos condutores para estradas de
ferro e linhas telefônicas, motores geradores, transformadores, bobinas de
instrumentos, fios esmaltados, barras coletoras, contatos elétricos, fios
para instalações domésticas e industriais, peças de aparelhos de rádio e
televisão, interruptores, peças para trocadores de calor, radiadores de
automóveis, equipamentos de indústrias de processamento químico (caldeiras,
destiladores e alambiques), equipamentos para processamento de alimentos,
construção civil e arquitetura (telhados, fachadas, calhas, pára-raios,
painéis e revestimentos).
O cobre isento de oxigênio (OFHC ou C 102) é usado na fabricação de
componentes para aparelhos eletro-eletrônicos em geral, e na fabricação de
peças para serviço em elevadas temperaturas e atmosferas redutoras.
O cobre desoxidado com
fósforo com baixo teor de fósforo (DLP) é usado para a fabricação de tubos (para
água quente e fria e para líquidos e gases pouco corrosivos), de chapas e em
geral de peças soldadas, de um modo geral para a fabricação de equipamentos
que conduzem fluidos, trocadores de calor, construção mecânica, equipamentos
de uso na indústria química (destiladores, caldeiras e autoclaves), tanques
e reservatórios. Suas aplicações elétricas restringem-se a lonas coletoras
devido à sua condutividade relativamente baixa (85 a 98 % IACS).
O cobre desoxidado com
fósforo, com alto teor de fósforo (DHP) pode ter aplicações semelhantes às
do DLP (construção mecânica, indústria química, construção civil e
arquitetura), mas no que se refere às aplicações elétricas é ainda mais
limitado, restringindo-se aos anodos de eletrodeposição e eletroconformação
a partir de banhos com solução ácida de sulfato [1].
b) Cobres ligados
É a denominação que se aplica às ligas de cobre com baixo teor de liga, ou
seja, aquelas nas quais os teores de todos os elementos de liga somados não
ultrapassam 1 %. A função desses elementos, como o cádmio e o cromo, é
aumentar a resistência mecânica do cobre sem reduzir muito sua condutividade
elétrica. Em alguns casos são necessários tratamentos térmicos para aumentar
a resistência mecânica dos cobres ligados.
Podem ser divididos em
três grupos: a) cobres ligados de alta condutividade térmica e elétrica, b)
cobres ligados de alta resistência mecânica, c) cobres ligados de alta
usinabilidade. No primeiro grupo (a) encontra-se o cobre-prata tenaz (Cu-Ag
IP) e o cobre-prata isento de oxigênio (Cu-Ag OF). O cobre-prata tenaz
contém de 0,02 a 0,12 % de prata, que pode ser adicionada intencionalmente
ou estar naturalmente contida na matéria-prima, e possui uma estrutura
homogênea, já que para esses teores a prata permanece totalmente
solubilizada no cobre. Este cobre ligado possui resistência mecânica e à
fluência (em temperaturas relativamente elevadas) mais altas do que a
maioria dos cobres de alta condutividade (90 a 100 % IACS). A adição de
prata não afeta a condutividade elétrica e assim, na construção elétrica, na
qual além de boa condutividade, exige-se alta resistência ao amolecimento
pelo aquecimento e também a manutenção em altas temperaturas da resistência
mecânica obtida pelo encruamento, pois essas temperaturas elevadas podem ser
atingidas tanto devido às condições de funcionamento da peça, como devido à
aplicação de processos de soldagem. Devido a essas características esse
cobre ligado pode ser usado na construção mecânica, especificamente na
fabricação de aletas de radiadores de automóveis e outros trocadores de
calor. Já o cobre-prata isento de oxigênio possui
características muito semelhantes às do cobre-prata tenaz, com a diferença
de que pode ser aquecido em ambientes com atmosferas redutoras sem sofrer
fragilização pelo hidrogênio. Esse tipo de cobre ligado é produzido por um
processo de fusão específico que elimina a possibilidade da presença de
óxidos e desoxidantes.
Entre os cobres
ligados de alta resistência mecânica (b) encontram-se o cobre-arsênio
desoxidado com fósforo (Cu-As DHP), o cobre-cromo e o cobre-zircônio (Cu-Zr).
O cobre-arsênio contém arsênio em teores de 0,013 a 0,050 %,
que tanto pode ser adicionado intencionalmente como estar presente como
impureza proveniente da matéria-prima. A presença do arsênio favorece o
aumento da resistência mecânica em temperaturas elevadas, como também
aumenta a resistência à corrosão em determinados ambientes. É utilizado na
construção química, para a fabricação de equipamentos e tubulações
industriais que estão em contato com líquidos e gases relativamente pouco
corrosivos e a temperaturas não muito elevadas. Na construção mecânica é
usado em trocadores de calor, entretanto, sua baixa condutividade elétrica
(35 a 45 % IACS) inviabiliza seu uso na construção elétrica. O
cobre-cádmio (Cu-Cd) contém teores de cádmio de 0,6 a 1,0 %, o qual
fica totalmente solubilizado no cobre. É usado nas aplicações nas quais se
deseja que um condutor elétrico possua também boa resistência mecânica em
geral, e particularmente ao desgaste e à fadiga. Embora sua resistência ao
amolecimento durante aquecimento seja elevada, por outro lado sua
condutividade elétrica é de cerca de 80 % IACS. Sendo assim, é usado na
construção elétrica, na fabricação de cabos condutores aéreos sujeitos a
esforços mecânicos, molas de contato, linhas de transmissão de alta
resistência mecânica, conectores e componentes de chaves elétricas e outras
aplicações como lamelas de coletores e eletrodos de soldagem elétrica. O
cobre cádmio possui uma variante que é o cobre-cádmio-estanho
(Cu-Cd-Sn), com cerca de 0,8 % de cádmio e 0,6 % de estanho e que possui
características de fabricação muito semelhantes às do Cu-Cd, sendo usado na
construção elétrica, na fabricação de molas e contatos elétricos, cabos
condutores aéreos e eletrodos para soldagem elétrica. O cobre cromo
(Cu-Cr), com teor de cromo por volta de 0,8 %, pode ter suas propriedades
mecânicas melhoradas por tratamento térmico de solubilização e
envelhecimento, endurecendo por precipitação. Apesar disso, sua
condutividade elétrica é relativamente elevada, entre 80 e 85 % IACS,
possuindo resistência ao amolecimento quando sujeito a temperaturas de até
400 ºC. è usado na construção elétrica em eletrodos de soldagem por
resistência elétrica, chaves comutadoras e conectores. Na construção
mecânica é usado na fabricação de moldes e em geral em aplicações nas quais
se exige resistência mecânica e condutividade elétrica. O tratamento térmico
de solubilização e envelhecimento pode ainda ser combinado com deformação
plástica (encruamento): são os chamados tratamentos termomecânicos, que
permitem a obtenção de dureza e resistência mecânica ainda mais elevadas do
que as obtidas com o tratamento térmico tradicional sem deformação. No
cobre-cromo semimanufaturado aquecido por 15 minutos a 1000 ºC e resfriado
em água, assim solubilizado pode se aplicar a deformação plástica a frio (encruamento).
Posteriormente realiza-se o envelhecimento mediante aquecimento entre 400 e
500 ºC, por tempos que dependem da temperatura (para 470 ºC, por exemplo, o
tempo ideal é de cerca de 4 horas) de tal modo que o cromo se precipita em
pequenas partículas finamente dispersas pela matriz de cobre. O cobre–zircônio
(Cu-Zr) contém de 0,1 a 0,25 % de zircônio, sendo isento de oxigênio e,
portanto, não suscetível à fragilização pelo hidrogênio. Este cobre ligado
possui propriedades semelhantes às do Cu-Cr, porém níveis de resistência
mecânica mais elevados, particularmente no que diz respeito à resistência ao
amolecimento e à fluência. O limite de solubilidade do zircônio no cobre
chega a 0,24 %, sendo possível a aplicação do tratamento térmico de
solubilização e envelhecimento, que proporciona o chamado endurecimento por
precipitação. A solubilização é realizada em temperaturas da ordem de 900 a
980 ºC e, após resfriamento rápido, o envelhecimento é realizado em
temperaturas de 400 a 450 ºC em tempos de 1 a 2 horas, sendo que entre a
solubilização e o envelhecimento pode ser realizada a deformação a frio em
níveis de até 90% de redução em área ou em espessura. O tratamento térmico
aumenta a condutividade elétrica do Cu-As, que neste caso pode atingir 90 %
IACS. Na construção elétrica este tipo de cobre ligado é usado na fabricação
de lamelas de comutadores sujeitas a solicitações severas, enrolamentos de
motores elétricos severamente solicitados, bases de diodos, chaves
comutadoras e eletrodos para soldagem elétrica.
Entre os cobres ligados
de alta usinabilidade (c), podem ser relacionados o cobre- telúrio (Cu-Te),
o cobre-enxofre (Cu-S) e o cobre-chumbo (Cu-Pb). O cobre-telúrio,
assim como o cobre-enxofre e o cobre-selênio (Cu-Se), combina alta condutividade
elétrica com boa usinabilidade. O telúrio, assim como o enxofre e o selênio,
forma com o cobre compostos estáveis, que ficam distribuídos na matriz de
cobre como partículas finamente dispersas. A presença destas partículas
não provoca aumento acentuado de dureza e nem a diminuição sensível da condutividade
elétrica, porém facilita muito a usinagem do cobre, na medida em que as
partículas dispersas de telureto de cobre (Cu2Te) na matriz de cobre favorecem
a quebra do cavaco durante o corte do metal, reduzindo o atrito entre o
cavaco e a ferramenta. O telúrio é adicionado em teores de 0,30 a 0,80 %
ao cobre tenaz ou desoxidado com fósforo. O cobre-telúrio tenaz apresenta
condutividade elétrica de 96 a 98 % IACS, enquanto no cobre-telúrio desoxidado
com fósforo a condutividade elétrica atinge entre 92 e 94 % IACS. Por causa
de uma limitada dissolução do telúrio no cobre ocorre um aumento de resistência
ao amolecimento em temperaturas da ordem de 250 ºC no máximo. Na construção
elétrica o Cu-Te é usado na fabricação de terminais de transformadores e
de interruptores, contatos, conexões e em geral peças de circuitos que precisam
simultaneamente de elevada condutividade elétrica e alta usinabilidade.
O cobre é um metal de difícil usinagem, mas a adição de telúrio permite
a fabricação de peças usinadas em tornos automáticos. Na construção mecânica
em geral o Cu-Te pode ser usado na fabricação de parafusos, porcas e pinos,
entre outros tipos de peças fabricadas em máquinas automáticas. O
cobre-selênio (Cu-Se) possui características muito semelhantes às
do cobre telúrio. O cobre-enxofre (Cu-S) contém de 0,20 a
0,50 % d enxofre e suas aplicações são semelhantes às do cobre-telúrio.
A condutividade elétrica do Cu-S é da ordem de 93 a 95 % IACS e o índice
de usinabilidade é de 85. O cobre-chumbo (Cu-Pb) apresenta
teores de chumbo entre 0,8 e 1,2 % com o objetivo de aumentar a usinabilidade
do cobre, pois além de favorecer a fácil quebra dos cavacos, as partículas
de chumbo distribuídas no cobre possuem a capacidade de atuar como lubrificantes
entre o cavaco e a ferramenta, reduzindo o desgaste da ferramenta por atrito.
Este cobre ligado possui alta conformabilidade a frio, porém baixa conformabilidade
a quente. Este material é usado na fabricação de componentes da construção
elétrica que necessitam de elevada condutividade elétrica conjugada com
alta usinabilidade como conectores, componentes de chaves e motores, parafusos
e outros componentes usinados de alta condutividade elétrica [1].
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