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a) Fundição
O cobre e suas ligas, na condição de produtos fundidos, apresentam grande
variação de propriedades como a resistência mecânica, a resistência à
corrosão e as condutividades térmica e elétrica. O processo de fundição
exige que a liga apresente alta fundibilidade para a obtenção de formas
complexas e boa qualidade (ausência de defeitos de fundição). Entretanto,
em função dos requisitos de desempenho das peças fundidas em serviços, outras
características são importantes, como a resistência à corrosão (causada
pela atmosfera, águas, solos e produtos químicos), resistência ao desgaste
(particularmente quando a peça é usada como mancal de deslizamento), resistência
à compressão, à fadiga, condutividade térmica e elétrica, deformabilidade,
estanqueidade (para evitar o vazamento de fluidos através das paredes da
peça fundida) e resistência mecânica a temperaturas relativamente elevadas
(no máximo 300 ºC) ou a baixas temperaturas.
As ligas de cobre
podem ser fundidas por processos que permitam obter uma grande variedade de
formas geométricas, como a fundição em areia, a fundição em casca, o
processo por cera perdida e a fundição sob pressão. Mesmo os processos que
permitem obter peças de boa qualidade, porém com limitação na variedade de
formas, também podem ser aplicados às ligas de cobre, como a fundição
contínua, a fundição centrífuga e a fundição em coquilha.
Para a escolha de um
processo de fundição é fundamental determinar o tamanho e a forma das peças
a serem fundidas, a quantidade de peças a serem produzidas e os requisitos
de projeto, as tolerâncias dimensionais e a qualidade desejada.
A seguir os diversos
tipos de processo de fundição recomendados para ligas de cobre são
relacionados, levando em condição o grau de fundibilidade (alto ou baixo):
- Fundição em areia:
alta fundibilidade para latões (Cu-Zn) e bronzes com chumbo e zinco; e
fundibilidade razoável para bronzes fosforosos (com e sem chumbo), Cu-Zn-Sn,
bronzes com chumbo, cobres de alta condutividade, latões de alta
resistência mecânica, ligas cobre-cromo, cobre-alumínio, cuproníquel e Cu-Mn-Al.
- Fundição sob
pressão: alta fundibilidade para latões e ligas cobre-alumínio e
fundibilidade razoável para bronzes fosforosos, bronzes fosforosos com
chumbo, bronzes com zinco, cobres de alta condutividade, latões e alta
resistência mecânica, ligas cobre-cromo, ligas cobre-alumínio, cobre
berílio e cobre-manganês-alumínio.
- Fundição contínua:
alta fundibilidade para bronzes fosforosos, bronzes com zinco, bronzes com
chumbo e bronzes com zinco e chumbo. Fundibilidade razoável para bronzes
fosforosos com chumbo, cobres de alta condutividade, ligas cobre-alumínio,
cobre níquel e cobre-manganês-alumínio.
- Fundição centrífuga:
alta fundibilidade para bronzes fosforosos, e fundibilidade razoável para
bronzes fosforosos com chumbo, bronzes com zinco, bronzes com chumbo,
latões e latões de alta resistência mecânica, cobres de alta condutividade,
ligas cobre-cromo, cobre-alumínio, cuproníqueis, cobre-berílio e
cobre-manganês-alumínio.
- Fundição em
coquilha: alta fundibilidade para bronzes fosforosos e bronzes fosforosos
com chumbo, além de bronzes com chumbo. Fundibilidade razoável para
bronzes com chumbo e zinco e bronzes com zinco.
As ligas de cobre podem
ser classificadas, no que se refere à fundição, em dois grupos distintos,
de acordo com a maneira pela qual se solidificam. Determinadas ligas, como
as ligas cobre-alumínio, por exemplo, se solidificam em um estreito intervalo
de temperaturas, de modo que durante a solidificação estas ligas se transformam
rapidamente do estado líquido para o estado sólido. Por outro lado, outras
ligas, como os bronzes fosforosos e os bronzes com chumbo se solidificam
num amplo intervalo de temperaturas, permanecendo um certo tempo num estado
“pastoso”, ou seja, numa mistura de fases líquidas e sólidas. Essas diferenças
de velocidade de solidificação têm que ser consideradas ao se projetar a
peça fundida e os canais de alimentação.
Entre as ligas com
estreito intervalo de solidificação encontram-se os cobres de alta
condutividade e as ligas cobre-cromo (0 ºC), cobre-alumínio (5 a 15 ºC),
cobre-alumínio manganês (20 a 50 ºC), latões (20 a 50 ºC) e latões de alta
resistência mecânica (10 a 20 ºC).
No grupo das ligas com
amplo intervalo de solidificação estão os bronzes fosforosos com e sem
chumbo, bronzes com chumbo, bronzes com zinco e bronzes com zinco e chumbo (todas
essas ligas têm intervalo de solidificação da ordem de 100 a 180 ºC).
Para as ligas do
primeiro grupo é necessário prever na peça aumentos progressivos das seções
pequenas para as seções grandes, sendo também necessário prover
alimentadores para todas as duas seções. Já as ligas do segundo grupo,
devido ao estado “pastoso” em que se encontram durante a solidificação,
apresentam menores problemas de alimentação de material à peça, e assim
fundidos de melhor qualidade podem ser obtidos quando se consegue uma
solidificação rápida quando essa for possível, através da implementação de
seções com pequena espessura.
A qualidade da peça
fundida depende do metal utilizado como matéria-prima, e a qualidade deste
depende basicamente de sua composição química, particularmente o seu nível
de impurezas e da sua microestrutura, que é influenciada tanto pela
composição química como pelas condições de resfriamento e do processo de
fundição em geral. A matéria-prima tanto pode ser material de prima fusão
(metal primário) como metal secundário (reciclado), contudo, cuidados
especiais devem ser tomados no que se refere aos teores máximos de impureza
permitidos.
Quanto às impurezas
são importantes as seguintes informações sobre os principais grupos de ligas:
Ligas cobre-estanho
(bronzes): A influência que o antimônio, o arsênio, o bismuto e o ferro
podem ter nas propriedades mecânicas, justificam as severas restrições que
as normas impõem aos teores desses elementos nas ligas de cobre fundidas.É
necessário ressaltar que o enxofre acima de 0,1 % afeta as propriedades de
tração, enquanto o alumínio, mesmo em pequenos teores (acima de 0,01 %)
provoca redução da estanqueidade e prejudica as propriedades de tração. O
silício causa esses mesmos efeitos nos bronzes sem chumbo, além de acarretar
reações metal-molde mais intensas, mesmo nos limites de 0,02 % especificados,
para as ligas com chumbo. Excesso de fósforo além do necessário para
desoxidação acarreta reação metal-molde e aumenta a porosidade da peça de
seção espessa: cerca de 0,04 % de fósforo é um teor adequado para seções
finas e cerca de 0,015 % para seções espessas.
Ligas cobre-zinco (latões):
de um modo geral é significativa a tolerância quanto aos teores de impurezas
nos latões comuns para fundição em areia., porém se é necessário que a peça
apresente grande estanqueidade (resistência ao vazamento por fluidos através
de suas paredes por pressão interna), o teor de alumínio deverá ser mantido
em níveis muito baixos, para evitar a formação de películas de óxido de
alumínio, que ficam retidas através das paredes da peça fundida, embora esse
problema possa ser contornado através de cuidados especiais, principalmente
no que diz respeito ao vazamento de metal líquido no molde. Outro elemento
nocivo acima de determinados teores é o estanho. Além dessas impurezas, o
silício acima de certos teores pode provocar o aparecimento de pontos duros
que dificultam a usinagem.
Ligas cobre-berílio:
na fundição dessas ligas devem ser controlados os teores de estanho e
silício (0,01 % no máximo), magnésio (0,0 5 % no máximo) e chumbo (0,05 % no
máximo).
b) Metalurgia do Pó
Diversos tipos de produtos à base de ligas de cobre podem ser fabricados
através do processo de metalurgia do pó: filtros, mancais porosos, materiais
para fricção, contatos elétricos e peças estruturais.
Os bronzes são ligas
muito usadas na fabricação de filtros sinterizados por apresentarem elevada
resistência mecânica e à corrosão, porém tanto a resistência mecânica quanto
a dutilidade do material dependem da sua densidade. Geralmente se utiliza
uma liga com cerca de 11 % de estanho, mas os latões e as alpacas também
podem ser utilizados para a fabricação de certos filtros sinterizados. Esses
filtros são utilizados para a filtragem de água, líquidos em geral e gases
na indústria química e farmacêutica, líquidos combustíveis e fluidos
hidráulicos de sistemas de comando.
Ao contrário dos
mancais porosos, os filtros são fabricados a partir de pós constituídos de
ligas, de maior granulação e forma esférica, e quando a operação de
compressão é realizada durante a fabricação, são utilizadas pressões muito
baixas.
Os mancais porosos feitos com bronze apresentam um variado campo de
aplicações, porém se destaca o seu uso na fabricação de eletrodomésticos e
de autopeças. A elevada porosidade faz com que esses mancais sejam capazes
de reter uma considerável quantidade de lubrificantes, cerca de 25 % do
volume total da peça, fazendo com que assumam a característica de
autolubrificantes. Nesse tipo de peça o teor de estanho pode variar entre 5
e 12 %, podendo adicionalmente conter de 1 a 2 % de grafite, assim como
ferro e chumbo em pequenos teores.
Os materiais para
fricção sinterizados, que são utilizados nos sistemas de embreagem ou de
freios em automóveis, contêm cobre (de 60 a 85 %), estanho (2 a 10 %) e
outros materiais metálicos e abrasivos (até 20 %). A finalidade do uso do
cobre é criar uma matriz para os demais pós e atuar como um componente que,
devido à sua alta condutividade térmica, dissipa calor gerado durante a
fricção em serviço.
Já os contatos
elétricos são constituídos essencialmente de pós de cobre que apresentam
alta condutividade térmica, e pós de tungstênio ou molibdênio (40 a 85 %),
que apresentam boa resistência ao calor e ao desgaste. Essas características,
conferidas pela presença desses dois metais reunidos num produto sinterizado,
permitem o seu uso como elementos de contatos elétricos de chaves,
interruptores, comutadores de transformadores, motores e outros equipamentos
elétricos.
Sendo um processo
alternativo aos chamados processos convencionais, a metalurgia do pó também
permite, em alguns casos, a fabricação de peças e componentes estruturais em
condições economicamente mais vantajosas [1].
A tabela 1 apresenta
propriedades mecânicas de alguns componentes estruturais sinterizados em
ligas de cobre [5]:
|
Liga
(densidade em g/cm3) |
Resistência à
tração (MPa) |
Resistência ao escoamento (MPa)
|
Alongamento (% em 25 mm)
|
Dureza Rockwell
(alpaca: HBR, demais HRH) |
|
90 Cu – 10 Sn (7,2) |
140 |
140` |
3 |
65 HRH |
|
90 Cu – 10 Zn (8,1) |
210 |
- |
20 |
77 HRH |
|
85 Cu – 15 Zn (8,2) |
220 |
- |
20 |
82 HRH |
|
70 Cu – 30 Zn (8,1) |
266 |
21 |
21 |
87 HRH |
|
68,5 Cu – 30 Zn – 1,5 Pb (7,7) |
242 |
- |
29 |
71 HRH |
|
64 Cu – 10 Ni – 18 Zn (7,9) |
230 |
- |
12 |
83 HRB |
|
