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Metais & Ligas | Cobre | Informações Técnicas

Cobre comercialmente puro e cobre ligado (Série C 1XX)

O cobre é possivelmente o metal há mais tempo utilizado pela humanidade. Registros históricos citam a utilização do bronze (liga cobre-estanho) nos primórdios da civilização, anterior mesmo à descoberta e ao uso do ferro. Entretanto, atualmente o cobre é apenas o terceiro metal mais usado, atrás do ferro e do alumínio, sendo que este último ultrapassou o cobre somente nas últimas décadas, após a Segunda Guerra Mundial. Diversos fatores podem explicar esse fenômeno, mas provavelmente o mais consistente está relacionado com o custo, uma vez que o cobre está presente na crosta terrestre em quantidades muito menores do que os dois metais mais utilizados. Entretanto, para determinadas aplicações, o cobre comercialmente puro e as ligas de cobre ainda são insuperáveis, devido às suas características físicas e químicas muito peculiares.

O cobre puro é um metal de transição cuja densidade (massa específica) é 8,96 g/cm3, o que permite dizer que é um metal ainda mais “pesado” do que o ferro e muito mais denso que o alumínio. Seu ponto de fusão é de 1083 ºC, mais baixo do que o do ferro e mais alto do que o do alumínio. Mas sua propriedade física mais importante é, sem dúvida, sua elevada condutibilidade elétrica, que é tomada como referência e estabelecida como sendo 100 % IACS (International Annealed Copper Standard), uma vez que o cobre puro, no estado recozido, tem uma resistividade elétrica de apenas 0,15328 ohm.g/m2 a 20 ºC. Esse valor é bem mais alto do que o do alumínio comercialmente puro no mesmo estado e incomparavelmente mais alto do que o ferro puro no mesmo estado. Dentre os metais conhecidos, somente a prata poderia superar a condutibilidade elétrica do cobre, porém seu elevado custo comercial inviabiliza seu uso industrial na mesma escala em que o cobre é atualmente usado.

O sistema da Copper Development Association (CDA), também adotado pela ASTM, divide as ligas de cobre segundo a seguinte classificação:

Série CDA/ASTM

Tipo de liga

C 1XX Cobre comercialmente puro e cobre ligado
C 2XX Latão binário (cobre-zinco)
C 3XX Latão com chumbo (Cu-Zn-Pb)
C 4XX Latão com estanho (Cu-Zn-Sn)
C 5XX Bronzes (cobre-estanho, com e sem fósforo)
C 6XX Cobre-alumínio, cobre silício
C 7XX Cuproníquel e alpaca

Obs.: as séries 8XX e 9XX são reservadas às ligas fundidas.

Neste sistema pode-se identificar, por exemplo, a liga C 110 como um cobre comercialmente puro, mais especificamente o cobre eletrolítico ETP, a liga 260 como o latão para cartucho (70 % de cobre e 30 % de zinco), a liga 521 como um bronze fosforoso (8 % de estanho) e a liga 757 como uma alpaca (65 % Cu – 23 % Zn – 12 % Ni), entre outros. O primeiro algarismo identifica o grupo da liga, enquanto os demais identificam uma determinada liga especificamente. Uma variação deste sistema admite até 5 algarismos de identificação, ao invés de 3. Neste caso, a liga C 260 é conhecida como C 26000, podendo variar os dois últimos algarismos devido a uma pequena alteração de composição química.. Entretanto, vale ressaltar que comercialmente o mais utilizado é o sistema de 3 algarismos, devido à sua maior praticidade.

a) Cobre comercialmente puro

Para ser considerado como cobre, e não liga de cobre, o metal deve conter 99,3 % ou mais do elemento cobre, incluindo-se nesse total o teor de prata, geralmente proveniente do minério, ao qual não se adiciona nenhum outro tipo de elemento, exceto o que tenha sido adicionado para fins de desoxidação [1].

Tipos de cobre comercialmente puro:

  • Cobre eletrolítico (ETP ou 110): é o cobre inicialmente fundido (em placas ou tarugos) tendo como matéria-prima o cobre eletrolítico geralmente produzido sob a forma de anodos (chapas grossas), com um teor mínimo de cobre de 99,90 % (e prata contida até 0,1 %), contendo um certo teor (admitido, porém controlado) de oxigênio) com o objetivo de se conseguir no molde uma superfície plana. A norma ASTM B 224 estabelece um teor de oxigênio entre 0,02 e 0,07 %, que também depende do teor de enxofre presente, sendo o restante cobre (99,95 %), exceto um teor residual de impurezas de cerca de 0,01 % [1].

O cobre eletrolítico tem assim a estabilidade das suas fases indicada pelo diagrama Cu-º No intervalo desse diagrama que corresponde ao interessa comercial a liga sofre uma reação eutética a 1066 ºC (para um teor de oxigênio de 0,39 %), formando, com o resfriamento, as fases alfa (cobre praticamente isento de oxigênio) e Cu2O. No estado sólido a solubilidade do oxigênio no cobre é muito baixa, praticamente nula, de modo que praticamente todo o oxigênio está contido na fase óxido. A estrutura fundida do cobre eletrolítico é constituída basicamente por dendritas de fase alfa (matriz) com segregação do eutético de cobre e Cu2O nos contornos da matriz. Entretanto, após intensa deformação plástica resultante de processos de fabricação, como extrusão, trefilação e laminação, a microestrutura se modifica bastante, aparecendo então os óxidos como partículas isoladas distribuídas aleatoriamente na matriz. O efeito dessas inclusões de óxidos sobre as propriedades mecânicas da matriz é relativamente pequeno, pelo menos em comparação com outros tipos de cobre comercialmente puro, como o “oxygen free high condutivity” (OFHC ou C 102).

A presença de oxigênio pouco afeta a tenacidade do cobre eletrolítico, mas o teor de oxigênio deve ser baixo o suficiente para garantir boa trabalhabilidade durante os processo de fabricação/conformação. O teor de oxigênio depende do grau de refino do cobre durante a fundição. Pode ser reduzido mediante o uso de fósforo como desoxidante, caso do cobre com fósforo (C122 e C 123) ou de fornos de fusão a vácuo (C102). Além da restrição quanto à trabalhabilidade, o cobre com oxigênio não pode ser utilizado em atmosferas que contenham gases redutores em alta temperatura, que modificariam a microestrutura do material [2].

  • Oxygen free high condutivity copper (OFHC ou C 102): é o cobre eletrolítico que não apresenta partículas de óxido, porém produzido sem o uso de agentes químicos desoxidantes [3]. Também não apresenta em sua composição química resíduos de agentes desoxidantes, como o fósforo [1]. Seu teor mínimo de cobre é de 99,95 a 99,99 %.
  • Cobre desoxidado com fósforo, com baixo teor de fósforo (DLP ou C 122): é o cobre fundido e vazado em molde, que não contêm óxido cuproso (Cu2O) e que é obtido através do uso do fósforo com desoxidante não metálico (metalóide), com um teor mínimo de cobre (e prata) de 99,90 % e teores residuais de fósforo entre 0,004 e 10,12 %. Com esses teores de fósforo o decréscimo de condutividade elétrica é ainda muito pequeno.
  • Cobre desoxidado com fósforo, com alto teor de fósforo (DHP ou C 123), obtido pelo mesmo processo empregado para a fabricação do DLP, porém com um teor residual de fósforo bem mais alto, entre 0,015 e 0,040 %. O teor mínimo de cobre (e prata) está entre 99,80 e 99,90 % [1]. Estes teores do fósforo já acarretam uma queda de condutividade elétrica mais significativa [3].

Existem outros tipos de cobre comercialmente puro, como o refinado a fogo (FRHC) e o refinado a fogo tenaz (FRTP), entretanto os que foram mencionados anteriormente representam a parcela mais significativa dos tipos de cobre comercialmente puros utilizados na indústria em geral.

Aplicações dos diferentes tipos de cobre comercialmente puro:

Além da sua principal aplicação, em fios e cabos condutores de transmissão de energia elétrica, o cobre comercialmente puro pode ser usado na condução de energia térmica, condução de fluidos e na construção civil. Suas principais características são as altas condutividade térmica e elétrica, elevada resistência à corrosão, alta trabalhabilidade (podem atingir 90 % de deformação sem recozimentos intermediários) e aspecto adequado para aplicações arquitetônicas e decorativas. O cobre com alto grau de pureza é o mais indicado para aplicações na transmissão de energia elétrica e calor, enquanto o cobre que contém teores residuais de fósforo é mais indicado para a fabricação de tubos para a condução de fluidos e de um modo geral na construção civil.

O cobre eletrolítico (ETP ou C 110) é utilizado na fabricação de: cabos condutores para estradas de ferro e linhas telefônicas, motores geradores, transformadores, bobinas de instrumentos, fios esmaltados, barras coletoras, contatos elétricos, fios para instalações domésticas e industriais, peças de aparelhos de rádio e televisão, interruptores, peças para trocadores de calor, radiadores de automóveis, equipamentos de indústrias de processamento químico (caldeiras, destiladores e alambiques), equipamentos para processamento de alimentos, construção civil e arquitetura (telhados, fachadas, calhas, pára-raios, painéis e revestimentos).
O cobre isento de oxigênio (OFHC ou C 102) é usado na fabricação de componentes para aparelhos eletro-eletrônicos em geral, e na fabricação de peças para serviço em elevadas temperaturas e atmosferas redutoras.

O cobre desoxidado com fósforo com baixo teor de fósforo (DLP) é usado para a fabricação de tubos (para água quente e fria e para líquidos e gases pouco corrosivos), de chapas e em geral de peças soldadas, de um modo geral para a fabricação de equipamentos que conduzem fluidos, trocadores de calor, construção mecânica, equipamentos de uso na indústria química (destiladores, caldeiras e autoclaves), tanques e reservatórios. Suas aplicações elétricas restringem-se a lonas coletoras devido à sua condutividade relativamente baixa (85 a 98 % IACS).

O cobre desoxidado com fósforo, com alto teor de fósforo (DHP) pode ter aplicações semelhantes às do DLP (construção mecânica, indústria química, construção civil e arquitetura), mas no que se refere às aplicações elétricas é ainda mais limitado, restringindo-se aos anodos de eletrodeposição e eletroconformação a partir de banhos com solução ácida de sulfato [1].

b) Cobres ligados

É a denominação que se aplica às ligas de cobre com baixo teor de liga, ou seja, aquelas nas quais os teores de todos os elementos de liga somados não ultrapassam 1 %. A função desses elementos, como o cádmio e o cromo, é aumentar a resistência mecânica do cobre sem reduzir muito sua condutividade elétrica. Em alguns casos são necessários tratamentos térmicos para aumentar a resistência mecânica dos cobres ligados.

Podem ser divididos em três grupos: a) cobres ligados de alta condutividade térmica e elétrica, b) cobres ligados de alta resistência mecânica, c) cobres ligados de alta usinabilidade. No primeiro grupo (a) encontra-se o cobre-prata tenaz (Cu-Ag IP) e o cobre-prata isento de oxigênio (Cu-Ag OF). O cobre-prata tenaz contém de 0,02 a 0,12 % de prata, que pode ser adicionada intencionalmente ou estar naturalmente contida na matéria-prima, e possui uma estrutura homogênea, já que para esses teores a prata permanece totalmente solubilizada no cobre. Este cobre ligado possui resistência mecânica e à fluência (em temperaturas relativamente elevadas) mais altas do que a maioria dos cobres de alta condutividade (90 a 100 % IACS). A adição de prata não afeta a condutividade elétrica e assim, na construção elétrica, na qual além de boa condutividade, exige-se alta resistência ao amolecimento pelo aquecimento e também a manutenção em altas temperaturas da resistência mecânica obtida pelo encruamento, pois essas temperaturas elevadas podem ser atingidas tanto devido às condições de funcionamento da peça, como devido à aplicação de processos de soldagem. Devido a essas características esse cobre ligado pode ser usado na construção mecânica, especificamente na fabricação de aletas de radiadores de automóveis e outros trocadores de calor. Já o cobre-prata isento de oxigênio possui características muito semelhantes às do cobre-prata tenaz, com a diferença de que pode ser aquecido em ambientes com atmosferas redutoras sem sofrer fragilização pelo hidrogênio. Esse tipo de cobre ligado é produzido por um processo de fusão específico que elimina a possibilidade da presença de óxidos e desoxidantes.

Entre os cobres ligados de alta resistência mecânica (b) encontram-se o cobre-arsênio desoxidado com fósforo (Cu-As DHP), o cobre-cromo e o cobre-zircônio (Cu-Zr). O cobre-arsênio contém arsênio em teores de 0,013 a 0,050 %, que tanto pode ser adicionado intencionalmente como estar presente como impureza proveniente da matéria-prima. A presença do arsênio favorece o aumento da resistência mecânica em temperaturas elevadas, como também aumenta a resistência à corrosão em determinados ambientes. É utilizado na construção química, para a fabricação de equipamentos e tubulações industriais que estão em contato com líquidos e gases relativamente pouco corrosivos e a temperaturas não muito elevadas. Na construção mecânica é usado em trocadores de calor, entretanto, sua baixa condutividade elétrica (35 a 45 % IACS) inviabiliza seu uso na construção elétrica. O cobre-cádmio (Cu-Cd) contém teores de cádmio de 0,6 a 1,0 %, o qual fica totalmente solubilizado no cobre. É usado nas aplicações nas quais se deseja que um condutor elétrico possua também boa resistência mecânica em geral, e particularmente ao desgaste e à fadiga. Embora sua resistência ao amolecimento durante aquecimento seja elevada, por outro lado sua condutividade elétrica é de cerca de 80 % IACS. Sendo assim, é usado na construção elétrica, na fabricação de cabos condutores aéreos sujeitos a esforços mecânicos, molas de contato, linhas de transmissão de alta resistência mecânica, conectores e componentes de chaves elétricas e outras aplicações como lamelas de coletores e eletrodos de soldagem elétrica. O cobre cádmio possui uma variante que é o cobre-cádmio-estanho (Cu-Cd-Sn), com cerca de 0,8 % de cádmio e 0,6 % de estanho e que possui características de fabricação muito semelhantes às do Cu-Cd, sendo usado na construção elétrica, na fabricação de molas e contatos elétricos, cabos condutores aéreos e eletrodos para soldagem elétrica. O cobre cromo (Cu-Cr), com teor de cromo por volta de 0,8 %, pode ter suas propriedades mecânicas melhoradas por tratamento térmico de solubilização e envelhecimento, endurecendo por precipitação. Apesar disso, sua condutividade elétrica é relativamente elevada, entre 80 e 85 % IACS, possuindo resistência ao amolecimento quando sujeito a temperaturas de até 400 ºC. è usado na construção elétrica em eletrodos de soldagem por resistência elétrica, chaves comutadoras e conectores. Na construção mecânica é usado na fabricação de moldes e em geral em aplicações nas quais se exige resistência mecânica e condutividade elétrica. O tratamento térmico de solubilização e envelhecimento pode ainda ser combinado com deformação plástica (encruamento): são os chamados tratamentos termomecânicos, que permitem a obtenção de dureza e resistência mecânica ainda mais elevadas do que as obtidas com o tratamento térmico tradicional sem deformação. No cobre-cromo semimanufaturado aquecido por 15 minutos a 1000 ºC e resfriado em água, assim solubilizado pode se aplicar a deformação plástica a frio (encruamento). Posteriormente realiza-se o envelhecimento mediante aquecimento entre 400 e 500 ºC, por tempos que dependem da temperatura (para 470 ºC, por exemplo, o tempo ideal é de cerca de 4 horas) de tal modo que o cromo se precipita em pequenas partículas finamente dispersas pela matriz de cobre. O cobre–zircônio (Cu-Zr) contém de 0,1 a 0,25 % de zircônio, sendo isento de oxigênio e, portanto, não suscetível à fragilização pelo hidrogênio. Este cobre ligado possui propriedades semelhantes às do Cu-Cr, porém níveis de resistência mecânica mais elevados, particularmente no que diz respeito à resistência ao amolecimento e à fluência. O limite de solubilidade do zircônio no cobre chega a 0,24 %, sendo possível a aplicação do tratamento térmico de solubilização e envelhecimento, que proporciona o chamado endurecimento por precipitação. A solubilização é realizada em temperaturas da ordem de 900 a 980 ºC e, após resfriamento rápido, o envelhecimento é realizado em temperaturas de 400 a 450 ºC em tempos de 1 a 2 horas, sendo que entre a solubilização e o envelhecimento pode ser realizada a deformação a frio em níveis de até 90% de redução em área ou em espessura. O tratamento térmico aumenta a condutividade elétrica do Cu-As, que neste caso pode atingir 90 % IACS. Na construção elétrica este tipo de cobre ligado é usado na fabricação de lamelas de comutadores sujeitas a solicitações severas, enrolamentos de motores elétricos severamente solicitados, bases de diodos, chaves comutadoras e eletrodos para soldagem elétrica.

Entre os cobres ligados de alta usinabilidade (c), podem ser relacionados o cobre- telúrio (Cu-Te), o cobre-enxofre (Cu-S) e o cobre-chumbo (Cu-Pb). O cobre-telúrio, assim como o cobre-enxofre e o cobre-selênio (Cu-Se), combina alta condutividade elétrica com boa usinabilidade. O telúrio, assim como o enxofre e o selênio, forma com o cobre compostos estáveis, que ficam distribuídos na matriz de cobre como partículas finamente dispersas. A presença destas partículas não provoca aumento acentuado de dureza e nem a diminuição sensível da condutividade elétrica, porém facilita muito a usinagem do cobre, na medida em que as partículas dispersas de telureto de cobre (Cu2Te) na matriz de cobre favorecem a quebra do cavaco durante o corte do metal, reduzindo o atrito entre o cavaco e a ferramenta. O telúrio é adicionado em teores de 0,30 a 0,80 % ao cobre tenaz ou desoxidado com fósforo. O cobre-telúrio tenaz apresenta condutividade elétrica de 96 a 98 % IACS, enquanto no cobre-telúrio desoxidado com fósforo a condutividade elétrica atinge entre 92 e 94 % IACS. Por causa de uma limitada dissolução do telúrio no cobre ocorre um aumento de resistência ao amolecimento em temperaturas da ordem de 250 ºC no máximo. Na construção elétrica o Cu-Te é usado na fabricação de terminais de transformadores e de interruptores, contatos, conexões e em geral peças de circuitos que precisam simultaneamente de elevada condutividade elétrica e alta usinabilidade. O cobre é um metal de difícil usinagem, mas a adição de telúrio permite a fabricação de peças usinadas em tornos automáticos. Na construção mecânica em geral o Cu-Te pode ser usado na fabricação de parafusos, porcas e pinos, entre outros tipos de peças fabricadas em máquinas automáticas. O cobre-selênio (Cu-Se) possui características muito semelhantes às do cobre telúrio. O cobre-enxofre (Cu-S) contém de 0,20 a 0,50 % d enxofre e suas aplicações são semelhantes às do cobre-telúrio. A condutividade elétrica do Cu-S é da ordem de 93 a 95 % IACS e o índice de usinabilidade é de 85. O cobre-chumbo (Cu-Pb) apresenta teores de chumbo entre 0,8 e 1,2 % com o objetivo de aumentar a usinabilidade do cobre, pois além de favorecer a fácil quebra dos cavacos, as partículas de chumbo distribuídas no cobre possuem a capacidade de atuar como lubrificantes entre o cavaco e a ferramenta, reduzindo o desgaste da ferramenta por atrito. Este cobre ligado possui alta conformabilidade a frio, porém baixa conformabilidade a quente. Este material é usado na fabricação de componentes da construção elétrica que necessitam de elevada condutividade elétrica conjugada com alta usinabilidade como conectores, componentes de chaves e motores, parafusos e outros componentes usinados de alta condutividade elétrica [1]. 

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