Latão: binário, com chumbo e com estanho

As ligas de cobre mais utilizadas na indústria e em aplicações comerciais são os chamados latões, denominação tradicionalmente aplicada às ligas do sistema cobre-zinco. Neste tipo de liga os teores de zinco variam entre 5 (latão C 210) e 40 % (latão C 280), sendo que uma simples regra permite identificar o teor de zinco da liga: dividindo-se por 2 a dezena do número da liga, chega-se ao teor de zinco da mesma: no caso da liga 260 (o chamado latão para cartuchos de munição), por exemplo, 60 : 2 = 30, o que significa dizer que o latão 260 contém 30 % de zinco. Além dos latões binários (cobre-zinco) cuja numeração (centena) começa por 2, existem também os latões ternários cobre-chumbo-zinco, cuja numeração começa por 3 (como o caso do latão com chumbo 360) e os latões ternários cobre-zinco-estanho, cuja numeração começa por 4 (como o 436, por exemplo). Entretanto, inicialmente neste ítem aborda-se somente os latões binários (Cu-Zn), relatando-se então, posteriormente, os demais tipos de latão (Cu-Zn-Pb e Cu-Zn-Sn).

a) Latões binários (Cu-Zn)

Os latões binários são ligas cobre-zinco nas quais os demais elementos somente estão presentes em teores muito baixos, sendo considerados como impurezas. São ligas que apresentam razoável resistência á corrosão (em ambientes não muito agressivos) e boa conformabilidade, porém simultaneamente possuem resistência mecânica e dureza bem mais elevadas do que a dos cobres comercialmente puros e cobres ligados. Como o zinco possui reticulado cristalino hexagonal compacto, ao contrário do cobre, que possui reticulado cristalino cúbico de face centrada, a solubilidade do zinco no cobre é limitada, porém como a diferença entre os diâmetros dos átomos de cobre e de zinco é relativamente pequena, de cerca de 4 %, existe uma certa solubilidade, chegando a 35 % na temperatura de 20 ºC e atingindo 38 %, seu valor máximo, a uma temperatura de 456 ºC. Enquanto grandes diferenças entre os diâmetros dos átomos dos elementos solvente e soluto favorecem o endurecimento, por outro lado reduzem a solubilidade. Assim sendo, o endurecimento por solução sólida é favorecido quando essa diferença é pequena, ao passo que grandes diferenças favorecem outros mecanismos de endurecimento, como o que ocorre por precipitação, ou pela restrição à recristalização e ao crescimento de grão devido à formação de partículas de intermetálicos. E exceto o ouro, que é muito caro, o zinco é o metal que apresenta a melhor combinação entre solubilidade e diferença de diâmetros atômicos no que se refere ao cobre. O efeito de endurecimento por solução sólida do zinco não é tão significativo como o de outros elementos solutos no cobre, mas sua elevada solubilidade permite que o endurecimento seja considerável em teores da ordem de 30 % [2].

Um dos principais usos do cobre está na fabricação de peças com formato complexo por deformação mecânica, como no assim chamado processo de embutimento. O latão alia a vantagem de ser facilmente deformado com uma resistência mecânica mais alta do que a do cobre comercialmente puro. Aliás, o latão com teores de zinco entre 20 e 30 % apresentam maior dutilidade (alongamento) do que o cobre comercialmente puro e do que os latões com teores de zinco mais baixos. Embora os latões sejam mais duros que o cobre comercialmente puro, são ligas que endurecem por deformação a uma taxa muito mais baixa do que o cobre comercialmente puro, e assim o chamado “empescoçamento” (redução de seção reta causada pela deformação) somente ocorre para uma deformação bem maior. Deste modo, ao se deformar uma dessas ligas numa matriz, a mesma pode se deformar consideravelmente antes que ocorra o empescoçamento, o qual leva a uma mudança dimensional indesejada e finalmente à fratura. As ligas que mais mantêm essa característica para maiores graus de deformação a frio são os latões que contêm de 20 a 30 % de zinco, bem mais do que os latões com menores teores de zinco, embora de um modo geral ocorra perda de ductilidade em todos os latões com o aumento da deformação a frio. Outro aspecto importante dos latões é a grande influência do tamanho de grão inicial sobre as características de deformação durante os processos de fabricação. Quando o grão é grosseiro o suficiente para igualar, ou mesmo exceder, a espessura da chapa (ou do corpo-de-prova de ensaio de tração) então praticamente quase não há contornos de grão para inibir o deslizamento e contribuir para o encruamento, e à medida que o grão cresce o latão apresenta menor alongamento até a fratura. Sendo assim, o controle do tamanho de grão antes da deformação a frio é muito importante, e os recozimentos anteriores devem ser rigorosamente controlados, quanto ao tempo e à temperatura, para produzir grãos finos [2].

Nos latões com teores de zinco mais elevados, acima de 35 % e chegando até 40 %, ocorre a presença de fase beta, ou seja, ao contrário dos latões com menos de 35 % de zinco, que são monofásicos (contêm somente a fase alfa), os latões com teores de zinco mais elevados são bifásicos (contêm fases alfa e beta). Estes latões bifásicos apresentam transformações de fase mais complexas, que dão origem a uma maior variedade de microestruturas e, conseqüentemente, de propriedades. Esse tipo de liga é utilizado industrialmente basicamente devido à sua excelente trabalhabilidade a quente e excelente usinabilidade. Dentre estas ligas sobressai-se o latão com 40 % de zinco, também conhecido comercialmente como metal de Muntz. A fase beta é conhecida como um composto intermetálico com estequiometria aproximada de CuZn, ou seja, proporção entre os números de átomos de cobre e zinco em torno de 50% cada, ao contrário da fase alfa, que possui estrutura cúbica de face centrada na qual parte dos átomos de cobre é substituída por átomos de zinco. Entretanto, a faixa de variação da composição da fase beta depende da temperatura. A fase beta é cúbica de corpo centrado e acima de 470 ºC torna-se desordenada, com átomos de zinco e cobre ocupando posições aleatórias, devido à vibração dos átomos associada à energia térmica. Em baixa temperatura essa vibração não existe e o conseqüente ordenamento leva à formação da chamada fase beta linha. Essa fase ordenada reduz a ductilidade do latão bifásico a temperaturas relativamente baixas (abaixo de 470 ºC), sendo responsável por esse caraterística de menor ductilidade a frio do que a quente (temperaturas na qual só se forma a fase beta desordenada). Por este motivo os latões bifásicos são indicados para extrusão (a quente), porém não são recomendados para laminação a frio. A fase beta linha pode ter sua dureza aumentada mediante tratamento térmico de envelhecimento em temperaturas da ordem de 200 a 500 ºC. A coexistência das fases alfa e beta garante uma dutilidade reduzida à temperatura ambiente, mas nem mesmo esta seria possível se a microestrutura fosse constituída totalmente por faz beta. E o trabalho a quente da liga bifásica (alfa e beta) é fácil nas temperaturas altas o suficiente para que a fase beta desordenada substitua a fase beta linha ordenada. Uma das poucas vantagens da liga bifásica com 40 % de zinco sobre a liga monofásica com 30 % é a sua melhor usinabilidade, devido à presença da fase beta linha frágil [2].

A numeração dos latões binários ba classificação CDA-ASTM começa pelo algarismo 2, como por exemplo o latão C 260, que contém cerca de 70 % de cobre e 30 % de zinco.

b) Latões com chumbo (Cu-Zn-Pb)

Os latões com chumbo são ligas cobre-zinco-chumbo nas quais o chumbo é adicionado com o propósito principal de aumentar a usinabilidade. O chumbo não se combina com o cobre, nem com o zinco, nem com qualquer elemento de liga secundário e está presente nessas ligas sobre a forma de partículas (glóbulos) que se distribuem aleatoriamente na microestrutura do latão. Essas partículas de chumbo lubrificam a ferramenta de corte durante a usinagem e ao promoverem uma fragilização localizada, favorecem a retirada do cavaco.

Nos latões com chumbo em geral o teor de zinco é superior a 35 %, fazendo com que, do ponto de vista microestrutural, estas ligas sejam bifásicas (alfa e beta) nas quais, adicionalmente, as partículas de chumbo se distribuem. Entretanto, estas mesmas partículas de chumbo causam problemas quanto à deformação plástica [4]. Por este motivo, os latões com chumbo são mais empregados para a fabricação de parafusos e peças usinadas a partir de barras e perfis extrudados, e não são usados para processos de deformação plástica considerável a frio. O teor de chumbo varia entre 0,3 e 3,5 % para os chamados latões de corte fácil. Os latões com chumbo na classificação CDA-ASTM são designados por números iniciados pelo algarismo 3, como a liga C 360 (61 % de cobre, 36 % de zinco e 3 % de chumbo) por exemplo.

Uma alternativa ao uso do chumbo para melhorar a usinabilidade dos latões é o uso do selênio e do telúrio, que não prejudicam tanto as propriedades de deformação plástica do latão, mas por outro lado são elementos mais caros e de menor disponibilidade. Além dos latões bifásicos, algumas outras ligas de cobre como o latão monofásico, a alpaca (Cu-Zn-Ni) e o cobre em si podem conter consideráveis teores de chumbo, mas seu uso não é tão difundido quanto o do latão bifásico com chumbo [4].

c) Latão com estanho (Cu-Zn-Sn)

Os latões com estanho são latões nos quais uma pequena parte do zinco é substituída pelo estanho, ou seja, são ligas cobre-zinco-estanho. O objetivo da utilização do estanho neste tipo de latão é melhorar a resistência à corrosão em ambientes particularmente agressivos, como água do mar e ambientes contendo cloretos e m geral [1]. Entre os latões com estanho encontram-se exatamente o latão do almirantado (70 % de cobre, 29 % de zinco e 1 % de estanho) e o latão naval (60 % de cobre, 39 % de zinco e 1 %) ambos para aplicações na construção naval [4]. A numeração os latões com estanho na classificação CDA-ASTM inicia pelo algarismo 4, como por exemplo a liga C 464 (61 % de cobre, 38 % de zinco e 1 % de estanho).

d) Aplicações dos latões

Os latões são aplicados na indústria para os mais diversos fins, dependendo de sua composição química. A seguir faz-se uma breve descrição das principais aplicações de alguns tipos de latões mais utilizados.

Latão C 210 (95 % de cobre e 5 % de zinco) – Esta liga, que não é suscetível à dezincificação, tipo de corrosão mais freqüente nos latões com maiores teores de zinco, na qual o zinco é atacado preferencialmente e eliminado da liga, é muito utilizada na fabricação de moedas, medalhas, emblemas, jóias e placas, sendo também usada como base para aplicação de ouro e de esmaltes vítreos.

Latão C 220 (90 % de cobre e 10 % de zinco) – Possui características bem semelhantes à do C 210, sendo usada em arquitetura (ferragens, condutos e peças ornamentais) e na fabricação de objetos decorativos. Além disso, é usada em algumas aplicações específicas na fabricação de munição, porém em escala muito inferior ao freqüente uso do latão C 260 (30 % de zinco) para a fabricação desse tipo de produto.

Latão C 230 (85 % de cobre e 15 % de zinco) – Juntamente com os latões C 210, C 220 e C240, consitui o chamado grupo dos latões vermelhos (também conhecido como “tombacks”), ligas monofásicas (fase alfa) que possuem características muito semelhantes entre si, marcadamente sua elevada resistência à corrosão e à dezincificação em particular, tendo porém como desvantagem seu maior custo, associado ao maior consumo de cobre, metal bem mais caro do que o zinco, na sua fabricação. Provavelmente sua mais freqüente aplicação é a fabricação de zíper para vestimentas, muito embora também seja utilizado na fabricação de bijuteria e de alguns componentes eletro-eletrônicos.

Latão C 240 (80 % de cobre e 20 % de zinco) – Como os demais latões vermelhos não, apresenta dezincificação e possui elevada resistência à corrosão sob tensão. Sua principal aplicação consiste na fabricação de objetos decorativos (estojos e componentes de relógios) obtidos pelos processos de conformação mecânica e brasagem.

Latão C 260 (70 % de cobre e 30 % de zinco) – Ainda é uma liga monofásica, mas já possui características bem diferentes dos latões vermelhos, começando por sua coloração amarelada. Pode apresentar problemas de dezincificação, dependendo do ambiente na qual está sendo utilizada, mas em compensação apresenta a mais favorável combinação de resistência mecânica e dutilidade (elevadas) entre todos os latões, razão pela qual é muito indicada para processos de conformação em geral, particularmente a estampagem e o embutimento profundo. Sua principal aplicação está na fabricação de cartuchos para munição (esta liga é popularmente conhecida como “latão para cartucho”), mas também pode ser utilizada para as mais diversas aplicações, como tubos de trocadores de calor para água não poluída, evaporadores e aquecedores de produtos alimentícios, cápsulas e roscas de lâmpadas, instrumentos musicais de sopro, radiadores de automóveis, metais sanitários, extintores de incêndio, rebites, pinos e parafusos.

Latão C 268 (66 a 67 % de cobre, 33 a 34 % de zinco) – Esta liga possui propriedades mecânicas ligeiramente inferior às do latão C 260, porém seu custo de fabricação é menor, sendo utilizada como alternativa ao uso daquela liga, em aplicações nas quais os requisitos de propriedades mecânicas não são tão importantes e o custo de fabricação é um fator determinante.

Latão C 272 (63 a 64 % de cobre, 36 a 37 % de zinco) – Esta liga já pode apresentar uma pequena quantidade de fase beta. Não pode ser usada em ambientes corrosivos. Pode ser trabalhada a frio e a quente, porém sua dutilidade é um tanto inferior à das ligas C 260 e C 268, embora suporte condições de conformação mecânica relativamente severas. É utilizada para fabricação de peças por estampagem não profunda como componentes de lâmpadas e chaves elétricas, recipientes para instrumentos, componentes de radiadores, rebites, pinos e parafusos.

Latão C 280 (60 % de cobre e 40 % de zinco) – Esta é uma típica liga bifásica (alfa e beta) com excelente trabalhabilidade a quente, relacionada com a presença da fase beta, que por outro lado dificulta a conformação a frio. Suas aplicações também estão limitadas a ambientes não muito corrosivos. Possui melhores propriedades de conformação a frio e de soldagem do que as do latão C 370 (61 % de cobre, 38 % de zinco e 1 % de chumbo), porém usinabilidade inferior. É usado na fabricação de placas, barras e perfis, na arquitetura em seções estruturadas e painéis espessos, na indústria química em placas de tubos de condensadores e trocadores de calor e componentes mecânicos fabricados por forjamento.

Latão C 340 (65 % de cobre, 34 % de zinco e 1 % de chumbo) – Possui partículas de chumbo dispersas em uma matriz de fase alfa, podendo no entanto conter uma pequena quantidade de fase beta. Apresenta elevada usinabilidade e pode ser conformada para a fabricação de parafusos, rebites, porcas, componentes de instrumentos e de relógios.

Latão C 353 (62 % de cobre, 36 % de zinco e 2 % de chumbo) – Apresenta uma estrutura bifásica (fases alfa e beta) e com partículas dispersas de chumbo. Possui aplicações semelhantes à do latão C 340, porém apresenta menor trabalhabilidade. É utilizada para a fabricação de terminais de baterias elétricas e de velas de ignição de motores, e de peças gravadas mecanicamente.

Latão C 360 (61 % de cobre, 36 % de zinco e 3 % de chumbo) – Apresenta microestrutura muito semelhante à do latão C 353. É conhecido como latão de usinagem fácil (“free cutting brass”). É muito utilizada sob a forma de barras extrudadas que são posteriormente usinadas para a fabricação de diversos produtos, entre os quais porcas, parafusos, pinos, buchas, mancais, afastadores e peças tubulares com extremidades abertas ou fechadas.

Latão C 370 (61 % de cobre, 38 % de zinco e 1 % de chumbo) – Apresenta o mesmo tipo de microestrutura presente nas ligas anteriormente citadas, porém além da elevada usinabilidade, possui boa trabalhabilidade a quente. É fornecida geralmente sob a forma de tubos usados para a fabricação de peças tubulares em máquinas operatrizes de usinagem.

Latão C 442 (71 % de cobre, 28 % de zinco e 1 % de estanho) – Esta liga monofásica (fase alfa) contém, além de estanho uma pequena adição de arsênio para aumentar a resistência à dezincificação. O estanho é adicionado com o objetivo de proporcionar boa resistência à corrosão em água de rios e mares não poluída, paradas ou em movimento de baixa velocidade (até cerca de 2m/s). É muito usada na fabricação de tubos e placas para equipamentos de trocadores de calor, principalmente de refinarias de petróleo e de centrais de produção de energia.

Latão C 464 (61 % de cobre, 38 % de zinco e 1 % de estanho) – Esta liga, entre as últimas da série dos latões, possui uma microestrutura bifásica (alfa e beta), mas contém estanho e até mesmo chumbo em pequenos teores para aumentar a usinabilidade. É usada na forma de placas, chapas e barras utilizadas na fabricação de placas de condensadores, parafusos, porcas, peças forjadas e usinadas para uso em locais submersos em água ou equipamentos usados na construção naval. Esta liga pode conter inibidores contra corrosão, como o arsênio, o antimônio e o fósforo, porém limitados em teores de 0,02 a 0,10 % [1].

e) Propriedades mecânicas dos latões

A tabela 2.1 apresenta algumas propriedades mecânicas de alguns latões [1].

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