Trabalhos: mecânico; a quente e a frio

a) Trabalho mecânico nas ligas de cobre

Os principais processos de fabricação de ligas de cobre envolvendo trabalho mecânico são a laminação, a trefilação, a extrusão e o forjamento. Os limites de composição química (teores máximos e mínimos exigidos pelas normas ASTM) estão dentro de intervalos mais estreitos no caso das ligas trabalhadas quando comparadas com as ligas fundidas, ou seja, determinadas composições químicas que são adequadas para fundição em areia ou em molde permanente, são totalmente inaceitáveis para ligas a serem trabalhadas mecanicamente, quando a dutilidade ou maleabilidade não for suficiente. Dependendo do tipo de liga o produto resultante da conformação da liga de cobre pode ser placa, chapa, tira, barra, vergalhão, arame ou tubo sem costura. Os principais elementos de liga com o cobre são o zinco, o estanho, o chumbo, o níquel, o silício ou o alumínio, e em menor grau de importância o manganês, o cádmio, o ferro, o fósforo, o arsênio, o cromo, o berílio, o selênio e o telúrio.

As faixas de composição química de ligas de cobre trabalhadas são periodicamente modificadas para se ajustarem às práticas de conformação, no que diz respeito às necessidades dos consumidores.

Efeitos dos elementos de liga: o zinco é o mais importante elemento de liga no caso das ligas de cobre, sendo usado não apenas em diferentes tipos de latões, mas também nas alpacas. A maioria dos latões está contida no campo monofásico alfa, apresentando assim boa conformabilidade a frio. Os latões com teores de zinco mais elevados, em torno de 40 %, são indicados somente para o trabalho a quente. A adição de zinco reduz a temperatura de fusão, a densidade, as condutividades térmica e elétrica e o módulo de elasticidade. Por outro lado, aumenta o coeficiente de expansão térmica, a resistência mecânica e a dureza. A capacidade de encruamento aumenta com o teor de zinco, mas o latão monofásico binário C 260 (70 % de cobre e 30 5 de zinco) possui a melhor combinação de resistência mecânica e dutilidade. Nas ligas nas quais o zinco não é adicionado propositalmente como elemento de liga, ele é uma impureza que deve ser controlada para não ultrapassar um limite máximo especificado.

O chumbo é adicionado em cerca de 1/3 das ligas de cobre em teores que vão até 4 % no máximo, que é o limite para manter boas características de trabalhabilidade. No estado sólido este elemento não se dissolve na liga de cobre, mas fica distribuído como partículas de chumbo livre. Sua principal função é aumentar a usinabilidade, ou seja, favorecer as operações de corte. O chumbo aumenta a densidade e reduz a condutividade. Nas ligas nas quais não está presente como elemento de liga adicionado propositalmente, o chumbo é uma impureza que deve ser bastante restrita para não prejudicar a trabalhabilidade da liga. No latão para cartuchos o teor de chumbo deve ser inferior a 0,01 % para o trabalho a quente, enquanto nas alpacas não deve ser superior a 0,02 % para não afetar a trabalhabilidade.

O estanho é um elemento de liga essencial no grupo dos bronzes fosforosos. As ligas que são trabalhadas a frio podem conter estanho no máximo até 10 %, pois até esse teor tais ligas são monofásicas (somente fase alfa). A adição do estanho ao cobre aumenta significativamente sua resistência mecânica e sua dureza, enquanto reduz seu ponto de fusão, densidade e condutividades térmica e elétrica. O estanho também é adicionada a alguns latões em teores de até 1 % com o objetivo de melhorar a resistência à corrosão por dezincificação em água do mar, além de aumentar o limite de escoamento, a resiliência e a resistência à fadiga necessários às molas feitas com bronze fosforoso. Entretanto, o efeito da adição de estanho é menor nos latões de alto teor de cobre.

O níquel modifica a coloração da liga de cobre de modo que o cuproníquel é praticamente branco. A adição do níquel ao cobre aumenta a resistência mecânica e a dureza, mas a capacidade de encruamento dos cuproníqueis é inferior à de outras ligas de cobre. O níquel reduz significativamente as condutividades térmica e elétrica, e reduz ligeiramente o coeficiente de expansão térmica. Por outro lado, aumenta substancialmente o módulo de elasticidade. Como tem densidade semelhante à do cobre, o níquel não afeta esta propriedade. Embora o níquel e o cobre sejam mutuamente solúveis em qualquer proporção, por motivos de ordem técnica no processamento das ligas, o teor de níquel comercial costuma ser limitado no máximo em 30 %. Acima desse teor o ponto de fusão e a temperatura de recozimento tornam-se muito altas para os fornos industriais, e a resistência ao trabalho a frio fica muito elevada para os laminadores comuns. Os cuproníqueis são particularmente adequados para aplicações em altas temperaturas. Nas alpacas as diversas combinações de níquel e zinco produzem uma grande variedade de ligas com coloração prateada, com propriedades de trabalho mecânico que se aproximam às dos latões comerciais.

O silício pode estar presente nas ligas de cobre em teores de até 3 %, que é o limite para a obtenção de ligas monofásicas alfa com boa trabalhabilidade. A adição de silício aumenta a taxa de encruamento rapidamente, embora na têmpera macia a dutilidade seja muito elevada. O silício reduz o ponto de fusão, a densidade e as condutividades térmica e elétrica. A excelente soldabilidade das ligas cobre-silício favorece a aplicação comercial dessas ligas.

O alumínio, nas ligas cobre-alumínio, deve ser limitado em até 10 % nas ligas trabalhadas, embora o trabalho a frio exija teores inferiores a 8 % para que seja possível obter uma microestrutura monofásica (fase alfa) que garanta suficiente dutilidade. O trabalho a quente é favorecido quando os teores de alumínio estão entre 8 e 10 %, devido à presença de fase beta, que facilita a laminação a quente, a extrusão e o forjamento. O alumínio reduz o ponto de fusão, a condutividade elétrica e térmica, além da reduzir a densidade de modo muito significativo.

O manganês é um elemento secundário que favorece o refino dos grãos n as ligas Cu-Mn e Cu-Al. Em pequenos teores é adicionado aos cuproníqueis e alpacas para favorecer a laminação e nas ligas Cu-Si, além refinar os grãos, aumenta a soldabilidade. Como reduz muito a condutividade elétrica é bastante útil nas ligas Cu-Mn de alta resistividade.

O uso do fósforo nas ligas de cobre praticamente se resume aos bronzes fosforosos, nos quais está presente em teores de até 0,50 %. Sua função básica é a de agente desoxidante nos bronzes fosforosos, nos quais seu teor residual também melhora as propriedades mecânicas. No latão do almirantado e no latão contendo alumínio o fósforo ajuda a inibir a dezincificação. Seu efeito na redução da condutividade elétrica é muito forte. Em combinação com pequenos teores de níquel forma o fosfeto de níquel, que mediante tratamento térmico produz o efeito de endurecimento por precipitação, além de, por não estar em solução sólida, não ter um efeito tão negativo sobre a condutividade térmica, sendo pelos mesmos motivos usado em ligas cobre-zinco-estanho com alto teor de cobre. Como impureza no latão o fósforo afeta o crescimento de grão, alterando o resultado do recozimento.

O ferro é usado como elemento de liga apenas em pequenos teores da ordem de até 2,5 % e mesmo assim somente em poucas ligas de cobre. Quando presente no bronze de manganês (Cu-Mn) ou nas ligas Cu-Al e Cu-Si, em teores não muito altos, favorece o refino de grão e aumenta a resistência mecânica. Também em pequenos teores aumenta a resistência à corrosão do cuproníquel em águas marinhas. Está presente como impureza em t0odas as ligas de cobre e quando a contaminação do latão alfa é excessiva, além do limite usual de 0,05 %, esse efeito no tamanho de grão pode afetar o efeito desejado para os tratamentos térmicos, além de afetar a susceptibilidade magnética das ligas de cobre, normalmente não magnéticas, quando o teor de ferro é excessivo.

O arsênio é usado em ligas de cobre apenas como inibidor da dezincificação em latões do almirantado e latões com alumínio em ambientes corrosivos, porém o teor de arsênio não deve ultrapassar valores da ordem de alguns centésimos percentuais.
O cádmio pode ser adicionado ao cobre em teores de até 1 por cento, de modo que se obtenha uma composição que resulte em suficiente dutilidade e maleabilidade para operações de laminação. Esse elemento é bastante útil para aumentar a resistência mecânica e a resistência ao desgaste do cobre com menor diminuição da condutividade elétrica do que a causada pela adição de outros elementos. Por esse motivo o cobre-cádmio é indicado para aplicações em cabos de trólebus, linhas de energia de longo alcance e outras aplicações semelhantes. As mesmas vantagens fazem com que essas ligas sejam indicadas para a fabricação de eletrodos de soldagem por resistência elétrica.

O berílio é adicionado ao cobre em teores de até 2 % com o objetivo de se obter o efeito de endurecimento por precipitação, que proporcionam dureza e resistência mecânica muito superiores às das demais ligas de cobre. A liga Cu-Be é bem dútil devido ao amolecimento causado pelo recozimento/solubilização e resfriamento rápido que antecedem as operações de trabalho a frio, às quais se seguem o envelhecimento em temperaturas relativamente baixas. Em alguns casos o cobalto é utilizado juntamente com o berílio em algumas ligas.

Tanto o selênio como o telúrio podem ser adicionados em pequenos teores para a obtenção de uma liga de baixos teores e alta usinabilidade e trabalhabilidade a quente, ao mesmo tempo mantendo boa resitência mecânica e condutividade elétrica.
Propriedades como densidade, coeficiente de expansão térmica, condutividades térmica e elétrica, temperaturas solidus e liquidus, entre outras, são consideradas propriedades físicas das ligas de cobre, porque dependem basicamente da composição química das ligas, ao passo que propriedades como dureza, resistência mecânica, resistência á fadiga, tenacidade, entre outras, são fortemente dependentes das condições de tratamentos termomecânicos, razão pela qual são consideradas como propriedades mecânicas das ligas.

O coeficiente de expansão térmica varia com a temperatura e ligeiramente com a composição química. A resistividade elétrica e sua recíproca condutividade térmica variam bastante com a variação da composição química, embora também sejam afetadas pelo trabalho mecânico (a condutividade é reduzida). O módulo de elasticidade em tração e o módulo de rigidez são afetados pela variação de composição química até certo grau. A razão de Poisson para as ligas de cobre trabalhadas é de aproximadamente 0,33.

Define-se como tira o material laminado com até 4,775 mm de espessura e até 508 mm de largura. Chapa é o material com até 4,775 mm de espessura e largura superior a 508 mm. Barra é o material com espessura acima de 4,775 mm e largura até 304, 8 mm. E placa é o material com mais de 4,7775 mm de espessura e largura superior a 304,8 mm.

O recozimento é definido em diferentes graus (têmperas) de acordo com o tamanho de grão nominal definido em mícron: 100, 70, 50, 35, 25 e 15. Têmperas de laminação ou trefilação (trabalho a frio): 1/8 duro, 1/4 duro, 1/2 duro, duro, extraduro, mola e extramola. Têmperas de trabalho a quente (acabado a quente) incluem como laminado a quente e como extrudado.

A resistência à tração é a propriedade mecância básica como referência para produtos laminados e a resistência ao escoamento a 0,5 % de extensão ou alongamento sob carga é geralmente aceita para ligas de cobre. A redução em área sob ensaio de tração é um indicativo de trabalhabilidade a frio e embora muitas vezes não seja um requisito especificado, é de interesse geral e freqüentemente determinada. Dentro de certos limites, dependendo da composição química e da têmpera do material, a resistência ao cisalhamento apresenta certa correspondência com a resistência à tração. Também dentro de certos limites a dureza Rockwell pode ser correlacionada com o tamanho de grão e com a resistência à tração. A resistência à fadiga, determinada por ensaios cíclicos em bastões ou tiras também é relevante para certas aplicações, bem mais do que a resistência à compressão, por exemplo. A resistência à fluência adquire certa importância em aplicações em altas temperaturas.

A entidade responsável pela regulamentação dos requisitos (composição química e propriedades mecânicas) para diversos tipos de aplicações de diferentes tipos de ligas de cobre é a ASTM (American Society for Testing Materials). No caso das ligas ligas de cobre essas normas da ASTM geralmente iniciam pela letra B, como a B 122, por exemplo [3].

b) Trabalho a quente das ligas de cobre

Define-se como trabalho a quente a deformação (elástica e plástica) realizada acima da temperatura de recristalização, que geralmente é a primeira etapa no processo de fabricação de produtos à base de liga de cobre, por ser o método mais econômico de reduzir grandes espessuras. O trabalho a quente não resulta em encruamento no cobre ou nas ligas de cobre quando é feito o resfriamento até a temperatura ambiente. Entretanto, ocorrem algumas transformações de fase durante o trabalho a quente: alguns constituintes sofrem transformação térmica como conseqüência do resfriamento e estas transformações podem produzir considerável endurecimento, mas de um modo geral o trabalho a quente se diferencia do trabalho a frio por não envolver encruamento. A dificuldade experimental de analisar metais em alta temperatura desfavorece o estudo das características do trabalho a quente, mas de um modo geral é possível dizer que grandes deformações podem ser obtidas com o emprego de menores forças durante o processamento e sem encruamento significativo no metal ou liga.

Uma vez obtida boa qualidade no produto fundido, como um tarugo, uma placa, ou qualquer outra forma, a qualidade do produto final depende diretamente da qualidade do produto trabalhado a quente, como um vergalhão, uma chapa grossa ou qualquer outro, uma vez que é praticamente impossível eliminar nas etapas seguintes de trbalho a frio, defeitos originados durante o trabalho a quente. Assim, é de fundamental importância o projeto e todas as demais características dos equipamentos para trabalho a quente de metais e ligas, desde os equipamentos de transporte e manuseio até os de aquecimento e de deformação a quente propriamente dita. As deformações que correm durante operações como laminação a quente e extrusão são tão complicadas que o projeto de um equipamento para tais operações é mais uma arte do que uma ciência.

O cobre e as ligas de cobre em geral podem ser trabalhados a quente por um ou mais dos seguintes processos: laminação, extrusão, perfuração, forjamento e compressão, ou dobramento e conformação. A capacidade do cobre resistir à deformação plástica acima da temperatura de recristalização sem trincar é o critério básico para avaliar a adequação de cada um desses processos. O metal ou liga que trinca excessivamente é considerado como um material que apresenta fragilidade a quente e considerado inadequado para o trabalho a quente. Impurezas e elementos secundários constituem um importante fator que afeta as características de trabalho a quente do cobre e das ligas de cobre. O principal motivo desse efeito é que pequenas quantidades de certos elementos ou compostos intermetálicos levam à formação de fases frágeis de baixo ponto de fusão, que segregam-se, durante a fundição, nos contornos de grãos, reduzindo as forças de coesão entre os cristais da fase matriz.

Conseqüentemente, o metal fragilizado pela presença desse tipo de fase pode ser inadequado ao trabalho a quente ou ter seu processamento a quente limitado a algumas condições específicas. Alguns tipos de processos de fabricação exigem que o metal resista a condições mais severas de rasgamento, tracionamento ou alongamento do que outros, como é o caso da perfuração em comparação com a laminação. Sendo assim, a escolha do processo a ser empregado depende em grande parte das especificações do produto acabado como também da capacidade do metal se adequar a outros tipos de processo que estejam disponíveis.

Temperatura de Trabalho a Quente e seus Efeitos

Existe um intervalo limitado de temperaturas no qual o metal ou liga apresenta as melhores características para o trabalho a quente em um equipamento, dependendo do tipo e processo de fabricação empregado.

A tabela 7.1 mostra os intervalos de temperaturas adequados para a laminação a quente de certas ligas de cobre.

As temperaturas mostradas na tabela 7.1 servem apenas como referência, já que foram obtidas empiricamente na prática industrial e não possuem caráter científico, podendo variar até certo ponto em função do tipo de equipamento utilizado e das condições operacionais. Quando o cobre e suas ligas são aquecidos em fornos a gás ou óleo obtém-se boas combinações de temperatura e de controle de atmosfera.

Recomenda-se trabalhar com atmosfera neutra ou ligeiramente redutora, de modo a evitar ou minimizar a formação de óxidos na superfície o produto laminado. Também é importante evitar a fragilização do cobre eletrolítico com gases redutores.

A homogeneização de ligas de cobre deve ser uma prática limitada a determinadas circunstâncias, já que o aquecimento prolongado ou em temperaturas excessivamente altas pode levar à formação de óxidos superficiais, ou mesmo modificar a composição química da liga, como no caso da dezincificação do latão e da formação do eutético Cu-Cu2O presente entre os grãos do cobre eletrolítico. A formação dese tipo de eutético prejudica o desempenho do material em operações subseqüentes de conformação, além de gerar defeitos no produto acabado. O óxido de cobre coalescido durante o aquecimento para a laminação a quente pode causar quebras excessivas no arame trefilado e o surgimento de orifícios em chapas finas ou tiras.

Entretanto, algumas transformações de fase importantes ocorrem durante o aquecimento normal em condições operacionais convencionais de trabalho a quente. Por causa do resfriamento rápido uma grande quantidade de fase alfa é produzida a partir de produtos fundidos contendo uma quantidade variável de fase beta. Durante o aquecimento e o trabalho a quente a fase beta, geralmente presente em ligas contendo entre 65 e 70 % de cobre, é absorvida pela fase alfa majoritária, produzindo-se uma liga monofásica (alfa). Também no trabalho a quente do cobre eletrolítico (ETP) os grãos de cobre relativamente grandes e o eutético posicionado entre eles são deformados e fraturados, de modo que a recristalização do cobre a partir dos núcleos ocorre imediatamente. Durante este processo o eutético desaparece como tal, sendo as pequenas partículas de óxido absorvidas pelos grãos de cobre na vizinhança, ou coalescidos em novos cristais de cobre, distribuindo de modo praticamente uniforme as partículas de óxido (Cu2O) ao longo do material.

O enxofre no cobre fundido está presente sob a forma de um eutético Cu-Cu2S, que também desaparece durante o trabalho a quente. As partículas resultantes de Cu2O e Cu2S têm a mesma aparência quando observadas em microscópio ótico com iluminação convencional, embora possam ser diferenciadas com luz polarizada, pois neste caso as partículas do óxido aparecem avermelhadas, enquanto as partículas de sulfetos são bem escuras. Embora o teor de oxigênio das amostras trabalhadas e fundidas possa ser o mesmo, ou bem próximo, é preferível descrever o material fundido em termos do teor do eutético Cu-Cu2O, ao passo que o metal trabalhado deve ser descrito em função do teor de óxido (Cu2O). A mudança que ocorre na fase óxido durante o trabalho a quente melhora as propriedades físicas (mecânicas), porém reduz a precisão na determinação do teor de óxido durante observação em microscópio ótico.

O cobre sem óxido (OFHC) e o cobre desoxidado (DHP e DLP) não contêm eutético Cu-Cu2O, porém todos os tipos de cobre comercial contêm uma pequena quantidade de enxofre, em média de 0,0015 %. Esse enxofre está presente como sulfeto cuproso, formando um eutético semelhante ao óxido, e é modificado do mesmo modo.

Alguns outros constituintes secundários das ligas de cobre podem sofrer transformação de fase dependendo da temperatura de trabalho a quente. Por exemplo, a solubilidade do chumbo no cobre no estado sólido é de cerca de 0,04 % na temperatura habitual de trabalho a quente (800 ºC), mas de aproximadamente 0,003 % a 600 ºC. Portanto, uma quantidade substancial de chumbo pode precipitar durante a operação de trabalho a quente, ou mesmo durante o resfriamento subseqüente. O arsênio e o antimônio se comportam de modo semelhante. É importante controlar a temperatura de trabalho a quente e a velocidade de resfriamento, de modo a minimizar a precipitação de determinados constituintes secundários por causa de seus efeitos sobre a temperatura de recristalização. Em geral o trabalho a quente num intervalo de temperatura que garanta o máximo de solubilidade dos constituintes secundários resultará em menor trincamento, e, quando seguido por um resfriamento rápido, resultará na maior temperatura de recristalização possível para o produto acabado. O arame de cobre trefilado a frio após o trabalho a quente nessas condições resistirá a temperaturas mais elevadas sem amolecer e por períodos mais longos de tempo.

A densidade de praticamente todas as ligas de cobre (e do cobre comercialmente puro) trabalhadas a quente é maior do que a do mesmo tipo de material fundido, devido ao fato de que as cavidades resultantes da contração durante o resfriamento pós-fundição e a porosidade, gerada pela presença de gases, são reduzidas em volume pela compressão associada ao trabalho mecânico. Esse efeito é mais pronunciado nos produtos fundidos por processos tradicionais, como os que utilizam moldes de areia, por exemplo, que são muito menos densos do que os que resultam da fundição contínua. Entretanto, o efeito de eliminação de cavidades e porosidade resultantes da fundição durante o trabalho a quente é apenas parcial, e esses defeitos podem permanecer como bolhas no material trabalhado. A presença de óxidos e outros tipos de inclusões remanescentes da fundição também podem resultar no aparecimento de defeitos no material laminado. Métodos de inspeção, como ensaios não destrutivos, por exemplo, podem ser aplicados ao material fundido de modo que o material defeituoso possa ser descartado antes da etapa de trabalho a quente, minimizando a ocorrência de defeitos no material trabalhado. Evidentemente defeitos muito pequenos, em escala microscópica, podem ser tolerados, dependendo do tipo de aplicação do produto.

A microestrutura dendrítica do cobre e das ligas de cobre fundidos muitas vezes apresenta como característica o encontro de cristais que cresceram a partir de superfícies opostas do mole de fundição, gerando uma interface planar que se constitui numa discontinuidade e portanto numa região frágil, que pode gerar problemas durante o trabalho a quente subseqüente. A presença de trincas originárias da fundição em produtos trabalhados a quente muitas vezes não pode ser completamente eliminada por melhorias no processo de fundição, mas muitas vezes essas trincas, sendo muito pequenas, superficiais e localizadas nas extremidades da peça, podem ser eliminadas pelo descarte de parte do material fundido, muito embora tal procedimento deva ser realizado com muito cuidado, pois muitas vezes não é tão simples determinar com exatidão a extensão e profundidade do trincamento. Fundamentalmente trincas superficiais em produtos fundidos são causadas pela contração durante a solidificação, que resulta em tensões internas ou atrito com a superfície interna do molde devido ao movimento do metal no mesmo.

Durante a solidificação algumas peças fundidas trincam na superfície por causa da pressão interna causada pelo metal solidificado superficialmente em torno de um núcleo ainda líquido, assim aumentando a pressão interna acima da resistência mecânica da casca de metal solidificado na superfície, ou devido ao acréscimo de pressão interna causado pelo gás liberado pelo metal líquido do núcleo da peça. No caso do cobre eletrolítico (ETP) o núcleo líquido enriquece-se em eutético à medida que a solidificação avança, de modo que esse excedente de metal líquido acaba por se deslocar para o alto e para fora, formando a exsudação conhecida como “lágrimas” na superfície do produto fundido. Esse problema pode ser minimizado por um projeto adequado das dimensões da peça fundida e do molde e seu revestimento interno, de modo que haja um melhor controle da taxa de resfriamento e das condições de transmissão de calor do metal ao molde, permitindo que a parte mais alta do metal líquido permaneça neste estado, ou que escoe devido à pressão interna, porém de maneira que a casca superficial de metal líquido tenha se tornado espessa o suficiente para resistir às pressões internas sem trincar. Exsudações são comuns em produto fundidos de bronze (ao estanho e ao silício). É uma prática industrial comum descartar o metal exsudado, porém placas fundidas para laminação a quente freqüentemente trincam nestes locais, produzindo defeitos superficiais.

Trincas produzidas pelo atrito com o molde em geral se devem ao empenamento deste, a irregularidades nas paredes do molde que evitam, ou dificultam, o movimento do metal líquido, ao comprimento excessivo do mesmo, ou devido à fragilidade inerente do metal líquido a uma temperatura próxima do seu ponto de fusão. Este tipo de trinca pode variar em tamanho de uma linha quase invisível a uma abertura totalmente visível que se estende por vários centímetros de comprimento. Em alguns casos, produtos fundidos com trincas muito pequenas e superficiais podem ser processados satisfatoriamente para a produção de material trabalhado a quente, principalmente em alguns casos, como o da extrusão. Porém no caso de laminação a quente as tensões trativas resultantes do próprio processamento levam ao agravamento do trincamento, geralmente resultando em produtos defeituosos.

Efeito da Composição Química no Trabalho a Quente

Cobre Comercialmente Puro e Cobres Ligados

Produtos fundidos em escala piloto com dimensões relativamente pequenas apresentam menor tendência ao trincamento do que peças fundidas com grande dimensões em escala industrial, principalmente no caso do cobre eletrolítico, que é muito sensível à presença de impurezas. E a presença de determinados tipos de impureza exerce grande influência sobre o limite de tolerância especificado para outros tipos de impureza, como por exemplo a presença do óxido cuproso no cobre eletrolítico (ETP), que determina a tolerância para o chumbo, o bismuto e outras impurezas no caso de laminação a quente.

Outros fatores, como o grau de deformação nos passes de laminação iniciais e as relações de tensões na borda das placas, que, caso sejam excessivos, podem produzir o abaulamento das bordas que se tornam convexas, também influem nas práticas de laminação a quente. Em vista de todos esses fatores, não há um valor único especificado como tolerância para impurezas em ligas de cobre trabalhadas a quente, mas sim vários níveis de tolerância, definidos empiricamente, dependendo do tipo de produto ou processo/equipamento utilizado.

Entretanto, de um modo geral, o processamento a quente do latão monofásico e do cobre comercialmente puro é muito afetado pela presença de bismuto e de chumbo e sendo assim os teores destes elementos devem ser os mais baixos possíveis. Por outro lado, o latão bifásico alfa+beta, de mais fácil processamento a quente, pode tolerar, sem efeitos adversos, maiores teores de chumbo e de outras impurezas. O trincamento é mais comum na laminação a quente e na perfuração do que em outros processos de deformação a quente e assim os produtos fundidos destinados a estes processos devem ser mais puros e fisicamente mais perfeitos do que os que são destinados à extrusão, por exemplo.

Todos os tipos de cobre comercialmente puros podem ser facilmente trabalhados a quente na faixa de 800 a 900 ºC por qualquer tipo de equipamento ou método convencionais. Entretanto, o cobre de alta condutividade (OFHC) é laminado a quente geralmente na faixa de 650 a 750 ºC, pois neste intervalo ocorre menor oxidação superficial durante o aquecimento da placa e conseqüentemente chapas e tiras de melhor qualidade superficial são produzidas nesta faixa de temperaturas. O cobre-cádmio é geralmente laminado a uma temperatura ainda mais baixa ou deliberadamente resfriado após as rduções de espessura iniciais e mais intensas, de modo a ser acabado com uma microestrutura próxima do que resultaria do trabalho a frio, de modo a se obter uma resistência à tração mais alta do que a que seria obtida mediante uma laminação a quente convencional. Os cobres ligados ao arsênio e ao cromo são laminados em geral na faixa de 800 a 900 ºC, porque o cobre-cromo pode endurecer por precipitação se for laminado abaixo de 700 ºC e o cobre-arsênio fragiliza-se entre 600 e 700 ºC. Ambos esses cobres ligados têm uma tendência maior ao trincamento do que o cobre OFHC em qualquer temperatura, mas podem ser trabalhados a quente desde que observados os cuidados necessários nesse processamento.

O teor de oxigênio dos cobres eletrolítico, refinado em fogo e do cobre-arsênio varia entre 0,015 e 0,05 % e dentro desta faixa não apresenta efeitos negativos no trabalho a quente. Contudo, a presença do oxigênio altera as características químicas e a solubilidade de outros elementos, afetando desta forma a trabalhabilidade a quente, particularmente no caso da laminação a quente e da perfuração. O grau de fragilização causado pelo arsênio varia com o teor de óxido cuproso (Cu2O), sendo que o metal mais frágil é aquele que apresenta a maior razão entre os teores de oxigênio e arsênio, isto é, o teor de arsênio mais baixo (0,05 %) com teor de oxigênio mais alto (0,05 %) é o que mais dificulta a laminação a quente.

O efeito fragilizante do chumbo, do bismuto e do antimônio também é influenciado pelo teor de oxigênio, sendo a quantidade máxima permitida aumentada pela presença do oxigênio. Estes elementos, assim como o ferro, o níquel, o enxofre, o selênio e o telúrio, não têm efeito significativo na prática industrial de laminação a quente, desde que seus teores estejam dentro das especificações do cobre, independentemente da presença de oxigênio. Todavia, o cobre refinado a fogo pode conter uma quantidade muito maior de um ou mais destes elementos e conseqüentemente pode trincar no trabalho a quente. Embora o óxido cuproso aumente o teor máximo admissível para a presença da maioria das impurezas no cobre trabalhado a quente, por razões de ordem prática é impossível aceitar um teor de oxigênio acima de 0,05 % no cobre comercial, porque acima desse nível dimui muito a dutilidade dos produtos acabados.

Ligas Cobre-Zinco (Latões)

Todos os latões contendo de 33 a 46 % de zinco podem ser trabalhados a quente por um ou mais dos processos convencionais. Os latões beta contendo de 44 a 46 % de zinco e os latões bifásicos alfa + beta contendo de 38 a 44 % de zinco são algumas das ligas de cobre mais facilmente trabalhadas a quente, porém a maior parte dos latões bifásicos e todos os latões beta são extrudados. O trabalho a quente dos latões alfa, abaixo de 38 % de zinco, tem aumentado crescido continuamente desde que o zinco de alta pureza (baixo teor de chumbo) tornou-se comercialmente mais disponível. Um dos motivos é o fato de que estas ligas apresentam fragilidade a quente mesmo se contaminadas por quantidades muito pequenas de chumbo e de bismuto. O trabalho a quente de latões alfa produzidos a partir de cobre e zinco de alta pureza não é complicado, porém a necessidade econômica de refundir sucata pode levar a uma pequena, porém significativa, contaminação, de modo que a maioria das indústrias do ramo especificam com rigor um teor máximo de chumbo e de outras impurezas, com base em sua experiência no processamento destes materiais. Entretanto, como no caso do cobre comercialmente puro e do cobre ligado, essas especificações podem variar significativamente de um fabricante para outro.

A experiência prática e mesmo o trabalho de vários pequisadores demonstram que o chumbo é uma das impurezas mais nocivas no latão alfa e em geral se aceita como limite máximo um teor da ordem de 0,02 %. Contudo, com um controle preciso de temperatura e de outras variáveis de processamento é possível ultrapassar ligeiramente este limite. Por outro lado, a maioria das indústrias procura trabalhar com limites máximos de chumbo da ordem de 0,015 % ou mesmo menos do que isso, de modo obterem uma margem de segurança em suas operações. No caso de extrusão é possível trabalhar com teores significativamente mais altos, da ordem de 0,05 % para latões alfa.

Do mesmo modo, pequenos teores de bismuto também causam fragilidade a quente nos latões alfa, mesmo milésimos de 1 % causam efeitos muito nocivos. O arsênio, o antimônio e o fósforo podem ser adicionados ao latão como inibidores da dezincificação. Nos teores recomendados (no máximo 0,05 %) esses elementos não apresentam efeitos nocivos no trabalho a quente, principalmente no caso de extrusão de tubos. Os limites de teores de ferro nos latões são determinados por seu efeito no tamanho de grão e outras características de acabamento superficial de produtos e por essas razões não ultrapassam o valor de 0,05 % nos latões alfa. Outras ligas sem chumbo contendo muito mais ferro, como os latões de alta resistência à tração, que contêm 1 % de ferro, apresentam boa trabalhabilidade a quente em um amplo intervalo de temperaturas. O ferro e o alumínio neutralizam um pouco o efeito fragilizante do chumbo. O latão 60-40 com 1 % de chumbo apresenta trincamento severo nas bordas quando comparado com o latão 60-40 puro, porém a adição de 1 % de ferro à mesma liga reduz significativamente este efeito nocivo. A presença de outros elementos residuais provenientes da matéria-prima (cobre e zinco primários) durante a fundição dos latões, como selênio, telúrio, enxofre e outros, tem efeito desprezível no trabalho a quente dessas ligas. Quase não ocorre mudança na resistência do latão à deformação em altas temperaturas devido a variações na composição química, não havendo necessidade de alterar equipamentos nem seqüências de reduções, embora a temperatura de pré-aquecimento deva ser variada entre 650 e 850 ºC para a obtenção de melhores resultados, dependendo da composição química do latão, do processo empregado (laminação, extrusão ou perfuração) e das propriedades físicas desejadas no produto final. De um modo geral as ligas com maior teor de cobre são processadas em temperaturas mais elevadas.

Ligas Cobre-Níquel (cuproníqueis)

Todas as ligas binárias de cobre e níquel, conhecidas como cuproníqueis), contendo de 4 a 30 % de níquel, são trabalhadas a quente por laminação e extrusão, porém necessitam de melhor controle de temperatura e a aplicação de maiores cargas (pressões) do que o cobre comercialmente puro.

Essas ligas são fragilizadas por pequenas quantidades de chumbo, bismuto e outras impurezas, sendo o limite máximo para o teor de chumbo de aproximadamente 0,05 %. A contaminação por bismuto pode ser evitada pelo uso de cobre e níquel de elevada pureza, resultando em teores de bismuto inferiores a 0,001 % na prática industrial.

Pequenas quantidade de enxofre, da ordem de 0,01 % ou menos, inviabilizam o trabalho a quente do cuproníquel devido à presença do eutético Ni-Ni3S2 com baixo ponto de fusão (664 ºC), o qual se segrega nos contornos de grãos. O manganês é adicionado para converter esse composto em sulfeto de manganês, o qual se separa em glóbulos, não produzindo efeito fragilizante no trabalho a quente do cuproníquel. O magnésio é adicionado aos cuproníqueis para desoxidá-los, resultando porém apenas em pequenos teores residuais, ao contrário do manganês, que também pode ser adicionado em teores mais elevados como elemento de liga. O enxofre e o oxigênio não costumam acarretar problemas no trabalho a quente dos cuproníqueis, devido á prática industrial usual de usar cobre comercialmente puro como matéria-prima e adicionar magnésio e manganês. O carbono, impureza proveniente da contaminação da sucata usada como matéria-prima por graxas e outros tipos de sujeiras, deve ser limitado em aproximadamente 0,05 % ou menos, devido ao seu efeito adverso em ambas as operações de laminação a quente e a frio. Pra determinados tipos de aplicações, o ferro, o manganês, o cromo, o silício e o alumínio são adicionados, em teores variáveis, porém não costumam acarretar dificuldades na laminação a quente nem na extrusão.

Outro grupo importante de ligas contendo cobre e níquel é o das alpacas, ligas ternárias de cobre, zinco e níquel, que contêm em geral de 10 a 20 % de níquel e 44 a 70 % de cobre, sendo o remanescente principalmente zinco, podendo haver no entanto pequenas adições de manganês. As alpacas podem ser monofásicas (fase alfa) ou bifásicas (alfa+beta) dependendo da proporção entre os teores dos principais elementos de liga.

As alpacas monofásicas contendo 58% ou mais de cobre são menos dúteis e mais sensíveis aos efeitos da temperatura do que os latões monofásicos. Por conseqüência essas alpacas são pré-aquecidas em temperaturas mais elevadas, da ordem de 900 ºC. Essas ligas também são afetadas negativamente pela presença de pequenos teores de chumbo e de outras impurezas, do mesmo modo que ocorre com os cuproníqueis, como mencionado anteriormente. E do mesmo modo que ocorre com o latão alfa, o teor máximo de chumbo é limitado em 0,02 %, ou menos, porque a mairoira dessas ligas é laminada a quente para a produção de chapas ou tiras.
As alpacas bifásicas alfa + beta, contendo 6 a 18 % de níquel e 38 a 45 % de zinco, como os latões correspondentes, podem ser trabalhadas a quente por extrusão e forjamento em um amplo intervalo de temperaturas. A liga contendo 45 % de zinco possui boas características de trabalho a quente, mas o aumento do teor de níquel torna a liga menos extrudável.

O fósforo prejudica a trabalhabilidade a quente dessas ligas, devendo ser evitado o uso de sucata contendo cobre desoxidado com fósforo como matéria-prima na fundição. O chumbo não afeta a extrudabilidade, mas prejudica seriamente o comportamento da liga em forjamento. Outros elementos como manganês, silício e ferro, dentro dos limites especificados na prática industrial, não apresentam efeitos adversos na extrusão nem no forjamento.

Bronze de estanho e bronze fosforoso

A maioria das ligas cobre-estanho produzidas industrialmente e, entre essas, praticamente todas as que são produzidas por trabalho mecânico, contêm fósforo em teores de 0,02 a 0,35 %, e por este motivo são conhecidas como bronzes fosforosos.
Se o estanho for adicionado ao cobre que contém óxido cuproso, desoxidará o cobre, mas formará óxido de estanho, que permanece como inclusões no material fundido. Por isso, uma quantidade suficiente de fósforo é adicionada ao cobre para desoxidá-lo antes da adição de estanho, deixando um teor mínimo de 0,015 % de fósforo em excesso. Entretanto, um excesso bem maior é freqüentemente utilizado para se obter maior resistência à tração e dureza, dependendo da aplicação. A maior parte das ligas destinadas ao trabalho a quente contêm de 1,5 a 11 % de zinco, porém já foram trabalhadas a quente ligas com até 16 % de estanho.

A fase alfa, que é o principal constituinte das ligas comerciais, é relativamente frágil em altas temperaturas e, adicionalmente, podem estar presentes complexos cobre-estanho-fósforo metaestáveis com baixo ponto de fusão. Outras impurezas, como chumbo, bismuto e antimônio, mesmo em pequenos teores possuem um efeito adverso nas propriedades dessas ligas. Como resultado de todos esses fatores os bronzes fosforosos são considerados as ligas de cobre mais dificilmente trabalhadas a quente.

Os bronzes com menor teor de estanho, da ordem de 1,5 a 7 ou 8 %, podem ser trabalhados a quente mais facilmente do que os bronzes com maior teor de estanho, mas necessitam de cuidadoso e prolongado pré-aquecimento em um intervalo estreito de temperaturas para que se obtenha bons reultados no trabalho a quente. Os bronzes fosforosos podem ser laminados a quente, forjados e extrudados, desde que com os cuidados necessários, porém a exigência de altas pressões de extrusão e laminação leva obrigatoriamente ao uso de equipamentos com grande capacidade.
Na extrusão o bronze fosforoso se comporta de maneira muito diferente do latão e da maioria das outras ligas de cobre e além da elevada pressão, necessita de uma boa combinação de temperatura e velocidade, por um lado, e de composição química e formato, por outro, de modo a se evitar o trincamento a quente ou mesmo a desintegração do produto extrudado. Em especial as temperaturas e velocidades de extrusão muito elevadas são particularmente nocivas. A yemperatura máxima de trabalho a quente é determinada essencialmente pelos teores de estanho e de fósforo, que quanto mais baixos permitem temperaturas mais altas.

Uma faixa de temperaturas adequada para a laminação de um bronze contendo 1,25 % de estanho e 0,1 % de fósforo é de cerca de 800 a 850 ºC, enquanto para o bronze contendo 7 % de estanho e 0,1 % de fósforo já seria necessário um intervalo de temperaturas muito inferior. Por causa da alta pressão necessária, é vantajoso operar o mais próximo possível do valor máximo permitido para cada liga e formato. Devido às dificuldades impostas por teores crescentes de estanho e fósforo, atualmente o proceso se limita a ligas com no máximo 8 % de estanho e 0,25 % de fósforo. Os bronzes de baixo teor de estanho, até 5 %, e abaixo de 0,1 % de fósforo, podem ser extrudados com velocidade controlada entre 800 e 850 ºC, aproximadamente. Na prática industrial os limites máximos permitidos para o chumbo e o bismuto geralmente são os mesmos estabelecidos para o cobre desoxidado de alta pureza, e, adicionalmente, apenas estanho de mais alta pureza é utilizado como matéria-prima, de modo a minimizar a presença de elementos nocivos como antimônio, arsênio e outros.

Bronzes de silício (Cu-Si)

Os bronzes de silício são ligas monofásicas contendo de 1,5 a 3,25 % de silício e de 0,15 a 1,25 % de manganês e podem ser trabalhados a quente por laminação, extrusão e forjamento. Pequenas adições de zinco e de estanho podem ser feitas para aplicações especiais sem efeito adverso nas características de trabalho a quente.

Estas ligas possuem alta resistência mecânica em elevadas temperaturas e por isso são trabalhadas a quente em temperaturas mais próximas possíveis ao limite superior do intervalo no qual são dúteis. As temperaturas de pré-aquecimento variam de 850 a 900 ºC. Pequenos teores de impurezas causam fragilidade a quente, do mesmo modo que ocorre com as ligas monofásicas alfa contendo zinco e níquel, por isso adota-se os mesmos limites empregados para estas ligas. O teor máximo de chumbo permitido é de 0,02 % ou menos, embora na extrusão possa ser tolerado um teor bem mais alto.

Bronzes de alumínio (Cu-Al)

As características de trabalho a quente dos bronzes de alumínio são muito semelhantes às dos latões (Cu-Zn). As ligas beta, contendo de 9 a 11 %, com variadas combinações de teores de níquel, mananês e ferro, possuem boas características de trabalho a quente, como os latões beta, podendo ser laminadas, extrudadas e forjadas num amplo intervalo de temperaturas, sem apresentar fragilidade até cerca de 950 ºC no máximo. Assim como ocorre no caso dos latões, as ligas alfa e alfa + beta podem ser laminadas a quente ou extrudadas se os teores de chumbo e bismuto forem baixos. O níquel, o manganês e o ferro são adicionados a essas ligas sem efeito adverso nas características de trabalho a quente. O chumbo pode ser adicionado como elemento de liga no caso da produção de peças forjadas para serem usinadas, embora tais peças não possam ser laminadas a quente devido à incidência de trincamento severo, que não corre de modo tão significativo na extrusão.

Características do Processo de Laminação a Quente

A maior parte dos produtos laminados a quente é processada a partir de placas pesando entre 300 kg e 1 ton, apenas uma pequena parte do total é laminada a partir de placas pesando até 5 ton. Exemplos de resumos de procedimentos operacionais de laminação a quente:

Cobre comercialmente puro: placas fundidas com 102 x 610 x 838 mm3 pesando cerca de 454 kg são reduzidas para cerca de 9,65 mm de espessura em 13 passes de laminação.

Latão 70-30: placas fundidas com 114 x 635 x 1500 mm3 pesando cerca de 907 kg são reduzidas para cerca de 9,65 de espessura em 13 passes de laminação.

O laminador duplo é preferido para operações de desbaste, porque neste caso porque placas de espessura mais uniforme podem ser produzidas a uma velocidade maior, e, quando o equipamento dispõe de rolos específicos para bordas, a quantidade de perdas de processo é menor (menor geração de aparas/sucata). É necessária a refrigeração por água para evitar o superaquecimento dos rolos e manter o contorno dos mesmos. Também é necessário o uso de óleo solúvel (emulsão de óleo em água) para amenizar o contato entre os rolos e o metal que está sendo processado, de modo a evitar que o óxido que se formou na superfície do metal saia desta e fique aderido à superfície dos rolos.

Como a escala de produção das ligas de cobre é bem menor do que a dos aços, para superar a limitação de número de diferentes larguras de placas torna-se necessária a realização de laminação cruzada (laminar primeiro em uma direção e em seguida na direção perpendicular) para obter uma maior variação de larguras de chapas laminadas.

Após o último passe de laminação as chapas são decapadas em solução ácida, lavadas em água e escovadas, sendo então niveladas em uma operação contínua, após o que são enviadas para os equipamentos de laminação a frio.

Laminação de Produtos Não Planos

Esses tipos de laminadores utilizam rolos côncavos que permitem reduzir as dimensões padronizadas de vários tipos de vergalhões ou barras. Nos rolos de desbaste as barras passam completamente por uma concavidade antes de entrarem na próxima concavidade numa direção reversa. As reduções em área para cada concavidade devem estar cuidadosamente proporcionadas de modo a evitar que o metal entre em excesso nas mesmas, causando problemas. Por este motivo o tamanho das concavidades dos rolos é modificada para a laminação de certas ligas, especialmente o metal de Muntz, o latão naval e o cobre OFHC, já que estes se espalham mais do que o cobre eletrolítico (ETP).

O resfriamento dos rolos é feito por jatos d’ água, que são direcionados para as concavidades dos rolos em velocidade suficiente para remover qualquer partícula de óxido formado nos vergalhões ou nos rolos.

Extrusão

O processo de extrusão consiste em aquecer o tarugo cilindríco metálico em um intervalo de temperaturas nas quais o mesmo apresenta elevada plasticidade, colocar este tarugo no container cilíndrico de uma prensa hidráulica de alta pressão e forçar este tarugo através de um ou mais orifícios de uma matriz.

Entre os motivos para o crescimento da produção de extrudados está a qualidade superficial dos produtos superior àquela obtida por laminação ou perfuração, a produção de formatos mais complexos e a maior facilidade de extrudar ligas que apresentam fragilidade a quente durante laminação ou perfuração. As dimensões dos tarugos destinados à extrusão variam de 117 de diâmetro e 178 mm de comprimento a 25 mm de diâmetro e 762 mm de comprimento (pesando 363 kg) nas grande prensas horizontais.

Há vários tipos de fornos para aquecimento de tarugos em uso, todos com capacidade suficiente para aquecer o material a uma temperatura uniforme, porém em muitos casos a temperatura do tarugo é verificada pelo uso de um pirômetro de radiação laser antes de ser colocado no container da prensa de extrusão. A capacidade das prensas fica, em geral, entre 2500 e 7500 toneladas. Prensas verticais são usadas exclusivamente para a produção de tubos com paredes finas, pois permitem fabricas mais facilmente tubos concêntricos. Entretanto, com manutenção adequada e o uso de tarugos perfurados no centro, é possível produzir tubos com paredes finas em prensas horizontais, com tolerâncias entre 10 e 15 % de espessura.

Existem dois tipos básicos de métodos de extrusão: direta e inversa.
Na extrusão direta o tarugo é impelido, em uma de suas extremidades, por um êmbolo que força o metal através do orifício (ou orifícios) de uma matriz colocada na extremidade oposta. Nesse método o tarugo move-se para frente à medida que a extrusão ocorre.

Na extrusão inversa a matriz e o êmbolo são posicionados na mesma extremidade da prensa, de modo que não há movimento do tarugo em relação ao container. Neste método o metal escoa através da matriz e para fora da prensa por meio de uma abertura no êmbolo.

O método direto é preferido e mais usado para cobre e ligas de cobre, embora as diferentes características do método indireto possam favorecer seu uso com o objetivo de reduzir as perdas causadas por defeitos como “canal” e segregação, assim como devido aos requisitos menos exigentes de capacidade (pressão) da prensa, já que neste caso não existem cargas friccionais causadas pelo atrito da superfície lateral do tarugo com as paredes internas do container.

Na extrusão direta a partir de tarugos sólidos o bloco de contato (pesa usada entre a superfície da extremidade do êmbolo e a superfície da extremidade do tarugo) deve ser cerca 6 mm menor em diâmetro do que o interior do container, de modo que essa peça possa cisalhar através do tarugo, deixando livre a casca superficial oxidada do tarugo.

Na extrusão o escoamento do metal ocorre de um modo que depende de alguns fatores tais como o projeto da matriz e do bloco de contato, o teor de cobre da liga, a lubrificação e outras variáveis, porém numerosos estudos comprovaram que o metal escoa primeiro da posição central do tarugo, emergindo da matriz com uma microestrutura razoavelmente semelhante à do tarugo fundido. O atrito na parede do container retarda o escoamento na superfície externa lateral do tarugo, resultando em um perfil de escoamento caracterizado por maior avanço na região central do material.

Durante a extrusão a microestrutura do material é gradualmente refinada, resultando em variação do tamanho de grão ao longo do comprimento do tubo ou perfil extrudado, variação essa que é acompanhada por correspondentes variações de propriedades fìsicas/mecânicas. Por conseqüência algumas ligas extrudadas necesitam de trabalho a frio e recozimento para a obtenção uniformidade de propriedades físicas/mecânicas.

O escoamento do metal ao longo do orifício da matriz pode ocorrer de duas maneiras distintas, dependendo da permanência, ou não, da casca superficial do tarugo no local, de encontro à parede cilíndrica do container. Num container não lubrificado ligas como o latão e o cuproníquel escoam diagonalmente para o orifício da matriz, enquanto as partes periféricas do tarugo são arrastadas no corpo do tarugo e levadas para baixo entre as paredes do tubo extrudado. Num container lubrificado o metal escoa do final do tarugo através da matriz e as partes periféricas do tarugo não são arrastadas para o corpo do tarugo do mesmo modo que ocorre no outro caso. Na prática industrial todos os tipos de cobre escoam como descrito no caso do container lubrificado, independentemente da aplicação ou não de lubrificante, devido à presença de uma camada superficial de óxido que atua como lubrificante para o cobre, enquanto que no caso do cobre sem essa camada superficial de óxido o escoamento se assemelha ao do latão. Já o escoamento do latão revestido por cobre oxidado se assemelha ao deste, uma vez que este fenômeno é puramente superficial.
O tipo de escoamento é importante, porque determina a quantidade, a localização e o tipo de defeitos de extrusão encontrados no produto final.

A lubrificação (com grafite e óleo na matriz e no mandril, por exemplo) não é aplicada no container quando a extrusão tem por objetivo deixar uma casca, porque tem por objetivo manter a camada circunferencial do tarugo no local, enquanto o bloco de contato cisalha para fora e extruda o metal situado embaixo.

A extrusão com geração de casca é a prática mais comum, uma vez que a camada superficial de óxido no tarugo e defeitos menos importantes são minimizados significativamente no produto final extrudado. Nas extremidades de todo produto extrudado aparecem defeitos e por esse motivo essas extremidades devem ser cortadas, de modo que, após inspeção visual, o produto final não apresente tais defeitos. Quando não é feita a lubrificação o defeito mais comum é a segregação na extremidade do produto sólido ou delaminações na parede do tubo como resultado da oxidação superficial do tarugo que escoa para o interior no bloco de contato e finalmente para o interior do produto extrudado. Quando é feita a lubrificação os defeitos mais comuns são bolhas ou inclusões de impurezas na superefície. No escoamento do latão em container lubrificado e do cobre com ou sem lubrificação esses defeitos do tarugo aparecem na superfície externa do produto extrudado e não entre as paredes.

A pressão necessária para a extrusão varia com a temperatura, com a razão de extrusão, com o formato da matriz, com a composição da liga metálica que está sendo extrudada e com outras variáveis menos significativas, porém as variáveis mais importantes para uma liga específica são a temperatura e a razão de extrusão. Na prática industrial essa pressão pode variar entre 170 e 965 MPa, sendo o valor mais alto o necessário para extrudar bronze fosforoso e Cu-Si.

O ciclo de pressão começa no valor máximo e cai gradualmente até o final, quando ocorre um súbito acréscimo. Neste momento a extrusão é interrompida porque necessitaria de uma imensa pressão para forçar uma pequena quantidade de material remanescente através da matriz, e, além disso, esse material, como comentado anteriormente, teria que ser sucateado devido á excessiva presença de defeitos. A velocidade de extrusão tem um efeito relativamente pequeno sobre a pressão na prática industrial, já que economicamente a operação de extrusão necessita da velocidade mais alta possível, porém compatível com a qualidade do produto final. Geralmente a velocidade é limitada pelo formato do produto extrudado, por causa do surgimento de trincas transversais em pequenos intervalos da superfície do produto extrudado, que podem ser evitadas com a diminuição da temperatura dos tarugos, embora também possam ser causadas por defeitos na matriz ou por velocidade excessiva.

Características comuns a vários tipos de matrizes de extrusão são um adoçamento na entrada da matriz (para evitar que o tarugo fique “preso”), um formato angular na entrada e um alívio angular na extremidade posterior. Essas características fundamentais variam dependendo do formato do produto extrudado, da composição química da liga, e da experiência prática no tipo de processo empregado.

Forjamento

O forjamento a quente é definido como a conformação do metal por um único golpe, ou vários golpes repetidos, de um martelo ou prensa numa matriz com formato definido. Muitas ligas de cobre, especialmente as do tipo beta ou alfa + beta podem ser forjadas, concentrando-se a maior demanda em latões particularmente os de alto teor de chumbo destinados à usinagem posterior. Os latões de alta resistência mecânica, as alpacas e os bronzes de alumínio também podem ser trabalhados a quente por forjamento.

A maioria das peças forjadas possuem pequenas dimensões e são fabricadas a apartir de aparas geradas em outro processos como, por exemplo, a extrusão. O processo de forjamento consiste basicamente em aquecer a matéria-prima em pequenos fornos de pré-aquecimento próximos ao martelo ou prensa, colocar a matéria-prima dentro da matriz (de aço endurecido) e submeter esse material a um ou mais golpes do martelo ou da prensa de alta capacidade, de modo que o metal escoe sob compressão e preencha todos os contornos da matriz. Qualquer excesso de metal, denominado “rebarba”, é posteriormente cortado, assim como perfurado para gerar cavidades. Este processo é muito usado para a fabricação de cápsulas de munição, peças de refrigeração, de automóveis, de aviões, de encanamentos e outros componentes. Estas peças geralmente têm formato irregular e cavidades num plano e geralmente necessitam de usinagem para a eliminação das rebarbas. É um processo mais econômico (menor geração de sucata) do que a fundição e geralmente produz uma microestrutura mais favorável do ponto de vista das propriedades mecânicas do material.

Os martelos de forjamento variam de 450 a 2270 kg, enquanto as prensas variam de 90 a 1135 kg. Prensas de parafuso e de manivela são usadas para formatos simétricos que combinam forjamento e pequenas extrusões na mesma operação. O forjamento por martelamento é especialmente útil para formatos assimétricos ou quando se necessita de dobramento e conformação. As matrizes têm que dispor de inclinações suaves, com ângulo entre 1 e 7º que permitam a retirada da peça forjada e essa inclinação é maior no caso do martelamento. Matrizes de impressão múltipla são usadas por motivos econômicos quando o projeto e o tamanho da peça permitem. Deve ser prevista no projeto da peça forjada a contração volumétrica associada ao resfriamento. O número de peças que podem ser forjadas numa única matriz depende de vários fatores, como, por exemplo, o tipo de aço usado na matriz e as tolerâncias permitidas nas dimensões da peça. A vida útil de uma matriz de forjamento de ligas de cobre varia em geral entre 5.000 e 100.000 peças. As matrizes são lubrificadas com óleo e grafite de modo a facilitar o escoamento do metal e evitar a aderência e o superaquecimento da matriz. As peças forjadas podem ter tolerância dimensional estreita, da ordem de + 0,127 mm, embora quanto mais estreita a tolerância, menor a vida útil da matriz, então na prática trabalha-se com tolerâncias da ordem de 0,254 mm [3].

c) Trabalho a frio das ligas de cobre

O trabalho a frio das ligas de cobre é aquele realizado em temperaturas mais baixas, ou seja, desde a temperatura ambiente até temperaturas inferiores à temperatura de recristalização do metal. Em geral verifica-se que a quantidade de deformação à frio que pode ser imposta ao material é limitada, uma vez que com o acúmulo da deformação plástica (encruamento) o material torna-se cada vez mais frágil, aproximando-se do ponto no qual ocorre a falha por fratura. O metal pode ser restaurado para uma condição em que esteja adequado ao trabalho a frio posterior somente se for feito um tratamento térmico de recozimento, para a eliminação do encruamento através da recristalização.

Durante a deformação a frio os grãos do metal tornam-se mais alongados e progressivamente mais distorcidos. Quando o grau de deformação é elevado até mesmo a visualização em microscópio é complicada por causa da pequena variação do efeito do ataque metalográfico. Quando há contato entre a superfície da ferramenta e a superfície do metal, esta torna-se lisa, porém quando não ocorre esse contato, pode haver uma certa rugosidade na mesma, porque cada cristal individual deforma-se de um modo diferente. O grau de rugosidade depende do tamanho do grão e essa rugosidade afeta o acabamento superficial de peças polidas para aplicações específicas.

Quando se analisa a possibilidade de trabalhar a frio um determinado metal ou liga, deve-se levar em conta os efeitos do trabalho a frio em sua dutilidade e resistência mecânica, havendo uma correlação entre as variações de cada propriedade mecânica. Em geral as propriedades diretamente relacionadas com a resistência mecânica, como a dureza, a resistência à tração e a resistência ao escoamento, aumentam com o aumento do grau de deformação a frio, ao passo que diminuem as propriedades diretamente relacionadas com a utilidade, como a redução em área e o alongamento.

As propriedades relacionadas com a dutilidade são máximas e as que estão relacionadas com a resistência mecânica são mínimas quando o material está totalmente recozido. As taxas de encruamento, indicadas por curvas tensão x deformação e similares, são bons indicativos das propriedades de embutimento profundo. Com poucas exceções a taxa de encruamento varia proporcionalmente com o estado inicial de recozimento de uma liga. As ligas que apresentam taxa de encruamento mais elevadas são as ligas de maior resistência mecânica e mais refratárias como o bronze de alumínio e o bronze de silício. Uma das exceções a esta regra geral é o cuproníquel, que embora seja uma das ligas de cobre mais duras, no caso do cuproníquel 70 % Cu – 30 % Ni encrua a uma taxa inferior á dos latões amarelos.

Embora tenha havido muito progresso tanto na laminação a quente como na laminação a frio de ligas de cobre nas últimas décadas, permanecem alguns problemas de trincamento no que se refere ao desbaste de certas ligas como latões com chumbo e bronzes fosforosos, que ainda não pode ser feito a quente, devendo ser feito obrigatoriamente a frio, uma vez que, para serem desbastadas a quente, determinadas ligas devem apresentar teores mais baixos possíveis de determinados elementos como o chumbo. Como a máxima redução possível de espessura no desbaste de ligas de cobre limita-se a 50 ou no máximo 65 %, recozimentos intermediários devem ser feitos para evitar o surgimento de trincas.

Em geral o desbaste conclui-se quando a placa original teve sua espessura reduzida para um valor em torno de 10 mm, quando então começa a preocupação com o acabamento superficial da chapa laminada, que só não existe para poucas aplicações, como, por exemplo, o uso de chapas de cobre em telhados. A operação de desbaste exige que o metal seja fresado na superfície em cerca de 0,25 a 0,50 mm da espessura, garantindo a remoção dos óxidos formados durante a laminação a quente. Laminadores de desbaste típicos trabalham com chapas de até 625 mm de largura e velocidades de até 210 m/min. Valores típicos de diâmetro dos rolos dos laminadores estão entre 11 e 60 mm.

Além da laminação propriamente dita, outras operações complementares são realizadas no produto laminado a frio, tais como o achatamento, o nivelamento, e o corte (não somente de aparas descartadas, mas também para a produção de fitas a partir das chapas finas). O corte é feito em tesouras de cisalhamento automatizadas, que devem ter capacidade suficiente para garantir um corte reto e em ângulos retos. O encruamento resultante da operação de corte é muito pequeno. Para reduzir a distorção e efeitos de dobramento, alargamento e enrolamento, são utilizados carretéis que bobinam e rebobinam as tiras, cuja espessura pode ser no máximo 6 mm.

Além da laminação de produtos planos, a laminação a frio de produtos não planos (barras, vergalhões e etc) é igualmente importante, e é uma alternativa ao processo de trefilação no caso de bitolas mais estreitas. Entretanto, em qualquer caso, a deformação a quente (extrusão ou laminação a quente de não planos) antecede a deformação a frio.

Algumas ligas de cobre, como os bronzes fosforosos com teor de estanho superior a 4 %, bronzes fosforosos com chumbo, as alpacas (com e sem chumbo) e as ligas Cu-Be, só podem ser processadas a frio, desde o desbaste até o acabamento. Então a laminação desses produtos não planos é muito usada como operação de desbaste a frio destas ligas. Operações típicas de desbaste reduzem espessuras da ordem de 19 mm para cerca de 6 mm. A velocidade de saída do arame atinge um valor máximo de 55 m/min numa bobinadora de 600 mm instalada na saída do laminador. Podem ser obtidas reduções de espessura de até 80 % na maioria das ligas de cobre, embora naquelas que contêm chumbo o valor máximo fique em torno de 70 %.

O método mais comum de acabamento de vergalhões e arames de ligas de cobre é a operação de trefilação. O material inicialmente extrudado, laminado a quente ou a frio, é submetido a um ou mais passes de trefilação para acabamento, com recozimentos intermediários. Após o acabamento as bobinas são retificadas e cortadas no comprimento ideal. Na trefilação são usados lubrificantes como sabão, sebo e gordura animal em geral. As fieiras (matrizes de trefilação) podem ser feitas de aço trabalhado e endurecido ou de carbetos sinterizados, no caso de processamento de ligas mais duras. O acabamento a frio é fundamental para que se atinja as tolerâncias dimensionais exigidas para determinadas peças.

Os equipamentos de trefilação em geral possuem de 5 a 17 fieiras. As velocidades de saída dos arames atingem de 450 a 2400 m/min, valores mais altos no caso de arames mais finos. A trefilação inicial reduz a espessura de 6 para até 1,3 mm, envolvendo reduções da ordem de 25 a 30 %. Em geral, para determinadas ligas reduz-se a espessura em até 90 % antes do recozimento, embora em outras esta redução limite-se a 25 %, dependendo das características de encruamento da liga. O cobre comercialmente puro suporta maior grau de deformação, o latão um grau menor, e o bronze um grau ainda menor.

O cobre e muitas de suas ligas, como por exemplo os latões, são adequadas à operação de embutimento. O cobre apresenta alta dutilidade, porém tenacidade relativamente baixa e uma taxa de encruamento também baixa, o que pode ser nocivo em alguns casos. É um metal que suporta elevados graus de deformação antes do recozimento, porém requer um certo número de recozimentos no caso do embutimento profundo com o objetivo de gerar peças com paredes muito finas. Para aplicações que exijam embutimento muito profundo o cobre OFHC, por permitir maior redução em área do que o ETP (eletrolítico), deve ser preferencialmente utilizado, diminuindo a necessidade de um recozimento intermediário. A redução de área deve ser minimizada no caso de cobre e latões com baixos teores de zinco (5 a 10 %), uma vez que o recozimento também deve ser controlado rigorosamente para evitar crescimento excessivo de grão. No recozimento do cobre eletrolítico deve ser evitado o uso de atmosferas que contenham hidrogênio, que apresenta um considerável efeito fragilizante sobre este tipo de cobre comercialmente puro.

Já no embutimento do latão amarelo, com maiores teores de zinco e maior resistência mecânica, é possível obter maiores reduções de área/espessura de parede antes de que seja necessário fazer um recozimento, da ordem de 30 a 45 % de redução em área entre cada recozimento, embora a razão de redução seja decrescente, do tipo 3,5 – 3,5 – 3 – 2. É importante que a redução de diâmetro seja acompanhada por uma considerável redução de espessura, uma vez que esta última é fundamental para garantir a diminuição das tensões residuais, o que é essencial para minimizar a ocorrência de corrosão sob tensão, principalmente quando não é feito um recozimento final para alívio de tensões.

As ligas mais duras, como os bronzes fosforosos e de silício, também podem ser submetidas ao embutimento. Entretanto, um bom controle de bitola nessas ligas requer que sejam aplicadas menores reduções do que as aplicadas nos latões, assim como cuidados para evitar a formação de óxidos abrasivos durante o recozimento.
A operação de formação de copos no embutimento deve ser feita num prensa de dupla ação onde a ferramenta externa corta a chapa e aplica a pressão necessária para segurá-la, ou numa prensa de ação única, na qual a pressão necessária para segurar a chapa é fornecida por suportes de borracha. Copos de maior bitola, como os de cartuchos de munição, são feitos em prensas de ação única sem seguradores de chapa, e a pressão aplicada deve ser suficiente para evitar o enrugamento, mas não tão forte para resistir ao natural engrossamento do flange que ocorre durante a formação do copo, uma vez que isso levaria diminuiria a espessura do fundo do copo, levando a uma eventual fratura. Os raios da matriz e da ferramenta de punção não podem ser muito pequenos (agudos) e as matrizes devem permanecer razoavelmente polidas. Os raios da matriz devem ser aproximadamente 5 a 10 vezes superiores à espessura da chapa. As ferramentas de puncionamento não devem ser polidas e sim ásperas o suficiente para manter o controle do metal.

O segundo estiramento/embutimento é feito em prensas de ação única, com reduções da ordem de 30 %. Estas podem incluir grandes reduções de espessura de parede e pequenas reduções de diâmetro ou vice-versa, começando a partir de chapas grossas ou finas apropriadas. Geralmente o embutimento envolve uma combinação dessas duas condições. No embutimento leve e nas operações e segundo embutimento os melhores lubrificantes são os sabões com várias concentrações. No embutimento profundo é necessário o uso de pastas de sabão contendo partículas sólidas, como, por exemplo, talco. A facilidade de remoção é uma característica importante para o uso desses lubrificantes [3].

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