Cobre-alumínio, cobre-silício e cobre-berílio

a) Ligas cobre-alumínio

Essas ligas também são conhecidas como bronzes de alumínio, entretanto neste texto evitamos a denominação “bronze” para evitar confusões com as ligas cobre-estanho, que são conhecidas como bronzes desde a chamada Antiguidade.

O diagrama de fases Cu-Al de um modo geral apresenta muitas semelhanças com o diagrama Cu-Zn. A solubilidade do alumínio no cobre é relativamente alta e para teores mais elevados de alumínio se formam diversos tipos de compostos intermetálicos, alguns dos quais possuem a mesma estrutura cristalina e estequiometria de alguns compostos intermetálicos do sistema Cu-Zn. Como a diferença entre os tamanhos dos átomos é grande e a solubilidade máxima do alumínio no cobre é relativamente alta, espera-se boa resistência mecânica para as ligas Cu-Al mesmo como soluções sólidas. De fato o alumínio é um eficiente agente de endurecimento e existem duas ligas comerciais, com teores de 5 e 8 % de alumínio, que são soluções sólidas, então seu tratamento térmico resume-se à homogeneização convencional da liga fundida e o recozimento da liga trabalhada.

No sistema Cu-Al as fases estáveis a 500 ºC são praticamente as mesmas presentes em temperaturas mais baixas, a não ser que tempos de recozimentos extremamente longos sejam empregados. As ligas com teor de alumínio acima de 8 % em temperatura relativamente alta apresentam a formação de fase beta, que durante o resfriamento lento sofre uma transformação eutetóide para formar uma mistura de fases alfa e gama 2. Por esse motivo a seguir será dada uma certe ênfase a essa transformação eutetóide.

A fase beta das ligas Cu-Al é cúbica de corpo centrado (CCC) como a fase beta do sistema Cu-Zn, enquanto a fase gama 2 é semelhante à fase gama. A composição química do ponto eutetóide corresponde a um teor de alumínio de 11,8 %, e durante o resfriamento lento (50 ºC/h, por exemplo) da liga com essa composição, após homogeneização adequada (por exemplo 1h a 800 ºC), as fases alfa e gama 2 formam-se em camadas alternadas, de forma semelhante à perlita das ligas ferrosas, sendo que o mesmo termo (estrutura perlítica) pode ser aplicado a essa microestrutura eutetóide das ligas Cu-Al.

O resfriamento rápido a partir do campo monofásico beta deveria suprimir a reação eutetóide e resultar em fase beta retida à temperatura ambiente. Essa fase se decomporia muito lentamente e praticamente seria estável a essa temperatura, de modo que as propriedades da fase beta poderiam ser utilizadas para o desenvolvimento dessas ligas. Entretanto, do mesmo modo que nas ligas ferrosas, na prática a fase beta sofre uma transformação de não equilíbrio para uma outra fase (beta’), mesmo quando o resfriamento é extremamente rápido. Essa fase, que não é de equilíbrio e, portanto, não aparece no diagrama de fases, possui uma estrutura cristalina hexagonal (HCP) e é ordenada. Do mesmo modo que ocorre com os aços, a fase beta’ se forma por uma transformação martensítica, com a decomposição da fase beta em longas agulhas. Durante o resfriamento rápido, ao se atingir uma temperatura da ordem de 380 ºC (temperatura de início da transformação martensítica, também conhecida como MS), as agulhas começam a aparecer em grande velocidade na fase beta e à medida que o resfriamento até a temperatura ambiente prossegue, a fase beta remanescente se decompõe nessas finas agulhas.

Entretanto, enquanto nos aços a martenista é a estrutura mais dura, muito mais do que a perlita, nas ligas Cu-Al acontece fenômeno inverso, já que a fase beta’ martensítica (70 HRB) sensivelmente mais macia do que a mistura alfa e gama 2 perlítica (80 HRB). Essa diferença de dureza reflete a influência da fase gama 2 muito dura, que confere maior dureza à estrutura perlítica.

Também de forma surpreendente, em comparação com os aços, o aquecimento da fase beta’ martensítica a uma temperatura inferior à temperatura eutetóide (565 ºC), leva ao endurecimento da liga, ao contrário do que ocorre durante o revenimento dos aços. O aquecimento a 500 ºC por 30 minutos, por exemplo, aumenta a dureza da fase beta’ de 70 HRB para 90 HRB.

No caso da liga Cu-Al com 10 % de alumínio, o aquecimento a uma temperatura superior a 850 ºC resulta numa microestrutura constituída unicamente por fase beta, e o resfriamento rápido leva à formação de uma microestrutura totalmente martensítica, com dureza Brinell de cerca de 250. Ao ser mantida a uma temperatura inferior a 850 ºC essa liga passa a conter crescentes quantidades de fase alfa coexistindo com a fase beta, e como a fase alfa é menos dura, a dureza Brinell da liga cai para valores em torno de 120. Se em vez do resfriamento rápido for feito um resfriamento lento (em forno, por exemplo) na mesma liga Cu-10Al, uma grande quantidade (cerca de 50 %) de fase alfa primária se forma, e o restante da microestrutura é constituída por perlita eutetóide. Embora no caso dessas ligas a microestrutura perlítica proporcione maior dureza do que a microestutura martensítica, a grande quantidade de fase alfa presente faz com que a liga seja relativamente macia nesse caso. Ou seja, á medida que o resfriamento torna-se mais lento, aumenta a presença de fase alfa macia e diminui a presença da martensita dura, fazendo com que se reduza a dureza da liga. O revenimento da liga Cu-10Al temperada resulta em aumento de dureza se esse tratamento for feito em temperaturas em torno de 350 ºC, mas resulta em decréscimo de dureza quando é feito em temperaturas mais elevadas. O aumento de dureza se deve à formação de uma fina dispersão de fase gama 2 dura na fase alfa mais macia. Porém, quando a temperatura é suficientemente alta (ou seja, acima de 400 º), o tempo de revenimento é suficiente para promover o coalescimento das partículas de fase gama 2, promovendo o decréscimo de dureza.

A dureza dessas ligas Cu-Al é máxima quando se forma a microestrutura alfa + gama 2 dispersa ou quando se forma a martensita pelo resfriamento rápido. Entretanto, ainda não foi esclarecido o motivo que leva à redução da formação da martentista quando o teor de alumínio da liga aumenta. De qualquer modo, a dureza da liga é máxima quando se minimiza a presença da fase alfa macia e se maximiza a presença da martensita. É necessário tomar cuidado quanto à fragilização que pode resultar do recozimento dessas ligas, levando a uma queda de tenacidade considerável. Para evitar esse problema, a liga Cu-10 Al deve ser recozida à temperatura de 650 ºC, e de um modo geral as ligas Cu-Al devem ser recozidas a uma temperatura igual ou superior a 570 ºC, sendo que também deve ser evitado o resfriamento muito lento a parir da temperatura de recozimento. As propriedade mecânicas das ligas Cu-Al que contêm fase alfa dependem muito da forma e do tamanho dos grãos de fase alfa., que por sua vez dependem muito das condições de resfriamento. Do mesmo modo, as condições de resfriamento influem muito na decomposição da fase beta. Evidentemente, quanto mais finos os grãos de fase alfa, maior a resistência mecânica e a dutilidade, embora a dureza seja menos afetada. O resfriamento lento também favorece a decomposição da fase beta em uma mistura de alfa e gama 2, que embora dura, também é frágil [2].

Aplicação das ligas cobre-alumínio

• Liga 95 cobre – 5 alumínio – É uma liga com microestrutura monofásica (fase alfa), que contém pequenos teores de arsênio, níquel ou manganês, que são adicionados com o objetivo de melhorar a resistência á corrosão e a resistência mecânica. É uma liga que apresenta boa resistência à corrosão, mesmo em ambientes agressivos, além de boa conformabilidade a frio. Em geral é produzida sob a forma de semimanufaturados planos e também tubos. É utilizada na indústria química, em peças que estão em contato com água, ácidos e soluções salinas, em tubos de condensadores, evaporadores e trocadores de calor, componentes de equipamentos usados na indústria de papel, em caixas d’água e reservatórios.

• Liga 92 cobre – 8 alumínio – Esta liga é bifásica e pode conter pequenas adições de níquel, ferro ou manganês. Possui boa resistência à oxidação e boa conformabilidade a quente. É utilizada na forma de produtos planos e barras em aplicações na indústria química, semelhantes às da liga 95-5, e, além disso, em recipientes para a indústria química, em autoclaves, instalações criogênicas, recipientes e ganchos para instalações de decapagem, componentes de torres de resfriamento, em instalações para tratamento de esgoto urbano, sendo também usada para a fabricação de moedas e medalhas, eletrodos de soldagem, em componentes usados na indústria naval, como instrumentos não magnéticos para bússolas girostáticas, em revestimentos protetores e em tubulações para água do mar.

• Liga 89 cobre – 8 alumínio – 3 ferro – Possui a mesma microestrutura bifásica, porém o ferro é adicionado para inibir o crescimento de grão, melhorando a resistência mecânica da liga. Pode conter pequenas adições de níquel ou de manganês. É uma liga que apresenta alta resistência à corrosão e boa conformabilidade a quente, sendo produzida em geral sob a forma de chapas e barras. É utilizada em placas de tubos de condensadores, evaporadores e trocadores de calor nas indústrias química e naval, em instalações criogênicas e de decapagem e em ferramental antifaiscante para a indústria de gás, de petróleo, de carvão e de explosivos.

• Liga 89 cobre – 9 alumínio – 2 manganês – É uma liga bifásica (fases alfa e beta) que contém manganês para aumentar a trabalhabilidade a quente e também a soldabilidade. Pode conter também pequenos teores de fero ou níquel. É usada na forma de produtos planos, barras e forjados, sendo utilizada em instalações criogênicas, filtros e placas perfuradas, componentes de máquinas da indústria alimentícia, engrenagens helicoidais, elementos de fixação de máquinas e ferramentas de conformação de plásticos.

• Liga 87 cobre – 10 alumínio – 3 ferro – Esta liga apresenta microestrutura bifásica, sendo o ferro adicionado para inibir o crescimento de grão e melhorar a resistência, contendo também níquel ou manganês. Possui alta resistência à corrosão e à oxidação, mantendo a resistência mecânica à temperatura ambiente a temperaturas relativamente altas. Sob a forma de barras, perfis e forjados é usada em instalações criogênicas e de decapagem, como componentes de bombas, acessórios e elementos de fixação na construção naval, em ferramentas antifaiscantes, engrenagens, peças resistentes ao desgaste, peças forjadas para máquinas, peças forjadas para máquinas e linhas elétricas, ferramentas de conformação de plásticos e diversos componentes conformados.

• Liga 80 cobre – 10 alumínio – 5 ferro – 3 níquel – Esta liga quaternária também possui estrutura bifásica (fases alfa e kappa), podendo adicionalmente conter pequenos teores de manganês. A presença de níquel e de ferro confere à liga uma boa combinação de resistência à corrosão e à oxidação, resistência mecânica, à fadiga e ao desgaste. Além disso, possui boa conformabilidade a quente e mantém a resistência mecânica a temperaturas razoavelmente altas. Produzida sob a forma de barras e forjados, é usada em componentes de equipamentos trocadores de calor, de decapagem, de tratamento de águas, esgotos e ácidos, na construção naval, em ferramentas antifaiscantes e em acessórios mecânicos diversos.

• Liga 82 cobre – 9 alumínio – 6 níquel – 3 ferro – Possui microestrutura bifásica (fases alfa e kappa), contendo pequenos teores de manganês, sendo assim uma alternativa para aplicações semelhantes às da liga 80-10-5-3 anterior.

• Ligas cobre-alumínio para fundição: são fundidas em areia e usadas em cestos de decapagem, sapatas de laminador, engrenagens internas, bombas resistentes a álcalis, assentos de válvulas, hastes, hélices navais, mancais, buchas e peças em geral que necessitam de boa resistência à corrosão [1].

Propriedades mecânicas de algumas ligas cobre-alumínio:

A tabela 4.1 apresenta valores de algumas propriedades mecânicas de algumas ligas cobre-alumínio [1]

b) Ligas cobre-silício

Também conhecidas como bronzes de silício, as ligas Cu-Si de interesse industrial contêm de 1 a 4 % de silício e pequenos teores de outros elementos de liga, como o estanho, o zinco, o manganês, o níquel e o ferro. A solubilidade máxima do silício no cobre é de cerca de 4 % à temperatura ambiente e sendo assim essas ligas são monofásicas (apresentam em sua microestrutura somente a fase alfa), de modo que só podem ter sua resistência mecânica elevada por meio de encruamento. A liga Cu-Si com cerca de 1 % de silício e 2 % de estanho possui elevada dutilidade e mantém boa dutilidade mesmo após trabalho mecânico (encruamento, deformação) severo, o que faz com que seja um material adequado para a fabricação de parafusos e porcas, uma vez que suportam bem a estampagem e usinagem mesmo encruado, não exigindo, portanto, tratamentos térmicos de recozimento antes ou após a deformação, mantendo assim a resistência mecânica obtida no material deformado [4]. Além disso, a adição de silício aumenta a resistência a corrosão, particularmente em meios ácidos, e também melhora a soldabilidade, por permitir a desoxidação do metal fundido durante a operação de soldagem. As ligas trabalhadas contêm até 3 % de silício, podendo conter cerca de 1 % de manganês, enquanto as ligas fundidas contêm de 4 a 5 % de silício, podendo conter também pequenos teores de zinco, fero e manganês. As principais aplicações das ligas Cu-Si trabalhadas ou fundidas estão na construção de instalações de indústria química e de papel, em tanques, tubulações e cestos de decapagem; na construção mecânica em eletrodos de soldagem, parafusos, porcas, rebites, buchas e ganchos; na construção naval em eixos de hélices e na construção aeronáutica em linhas hidráulicas e de pressão [1].

A resistência à tração das ligas Cu-Si trabalhadas pode variar de 370 a 700 MPa, a resistência ao escoamento de 270 a 390 MPa, e o alongamento (em 50 mm) de 45 a 6 %.

c) Ligas cobre-berílio

A diferença entre o diâmetro atômico dos átomos de cobre e de berílio é comparável à que existe entre os átomos de cobre e alumínio ou entre os átomos de cobre e de estanho. A solubilidade do berílio no cobre é muito limitada, reduzindo-se de 2,1 % a 864 ºC para menos de 0,25 5 á temperatura ambiente, o que faz com que o efeito de endurecimento por solução sólida seja pouco eficiente. Entretanto, o efeito de endurecimento por solução sólida é significativo, já que à temperatura de 800 ºC uma liga com cerca de 1,5 % de berílio é praticamente monofásica (fase alfa) e uma temperatura mais baixa bifásica (alfa + beta), de modo que a faz beta se precipita a partir da fase alfa, sendo que a temperaturas ainda mais baixas (abaixo de 575 ºC) , se precipita a fase gama. O endurecimento por precipitação é considerável e permite a esta liga atingir 40 unidades Rockwell C, um valor de dureza compatível com o de muitos aços.

As ligas Cu-Be apresentam comportamento de endurecimento por precipitação semelhante ao que se observa para as ligas Cu-Al. Para que se atinja a dureza mais alta possível, o teor de berílio deve ser da ordem de 1,8 a 2,0 %, a temperatura de envelhecimento deve ser da ordem de 350 ºC e o tempo de 3 a 5 horas, permitindo se obter valores de dureza de 40 a 45 Rockwell C. Como ocorre no processo de precipitação de muitas ligas, a formação do precipitado de equilíbrio gama é precedida pela formação de uma fase metaestável e o endurecimento ocorre devido à formação de precipitados extremamente finos e dispersos de fase gama, que possuem a forma de discos com cerca de 200 a 400 átomos de diâmetro e cerca de 50 átomos de espessura, todos muito próximos. Com o prolongamento do envelhecimento a liga sofre superenvelhecimento e os precipitados tornam-se grosseiros, atingindo o equilíbrio.

A temperatura de recristalização dessas ligas é igual ou superior a 500 ºC, mas se essas ligas forem solubilizadas e trabalhadas a frio antes do envelhecimento na faixa de 300 a 385 ºC, a precipitação ocorre antes da recristalização (e assim o amolecimento) possa ocorrer. A dureza do material submetido a este ciclo não é muito diferente da dureza do material envelhecido sem trabalho mecânico prévio, mas o efeito do trabalho mecânico sobre a resistência mecânica e sobre a resistência ao escoamento é bem mais pronunciado (maior ganho de resistência). Por outro lado, na condição envelhecida a liga Cu-Be apresenta dutilidade muito menor, tanto com ou sem trabalho mecânico. Além do berílio estas ligas contêm outros elementos, como o cobalto que forma um composto insolúvel Be-Co, o qual inibe o crescimento de grão durante a solubilização, o que também pode ser obtido com a adição de outros elementos de liga. Durante a solubilização deve ser evitada uma temperatura muito alta (acima de 800 ºC) que possa causar fusão parcial, além de favorecer a formação de fase beta que dificilmente se dissolve no recozimento posterior. Por outro lado, a temperatura de solubilização não deve ser muito baixa (abaixo de 760 ºC) justamente para evitar a formação de fase beta, já que com isso reduz-se o teor de berílio da fase alfa, reduzindo o efeito de endurecimento. Além disso, o resfriamento deve ser rápido o suficiente para evitar a formação de fase beta, usando-se água para o resfriamento rápido [2].

A liga mais comum é a CuBe2 que contém 1,60 a 2,05 % de berílio, níquel e/ou cobalto (no mínimo 0,20 % cada) e/ou ferro (máximo de 0,60). O limite de resistência á tração desta liga é da ordem de 1230 a 1490 MPa, o limite de resistência ao escoamento vai de 1090 a 1370 MPa, o alongamento varia de 6 a 1 %, a dureza Brinell está entre 38 e 41 HB, ao passo que a resistência à fadiga atinge valores entre 250 e 310 MPa, quando a liga está tratada termicamente. As ligas Cu-Be, com boa resistência mecânica, e à fadiga em particular, além de boa condutividade elétrica e térmica, são usadas, na forma de tiras, arames, tubos e barras e também peças fundidas para a fabricação de molas de instrumentos, diafragmas e cabos flexíveis, componentes de chaves elétricas, de relês, de bombas e de máquinas de soldagem por resistência elétrica. Ferramentas anitfaiscantes são bons exemplos de aplicação de peças fundidas.
 

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