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Metais & Ligas | Cobre | Informações Técnicas

Bronze: com estanho e fosforoso

a) Microestrutura dos bronzes

Os bronzes, ligas cobre-estanho, são as ligas metálicas utilizadas há mais tempo pela humanidade, pois a chamada Idade do Bronze antecede a Idade do Ferro. Entretanto, ao longo do tempo foram substituídas em muitas de suas antigas aplicações por outras ligas metálicas de menor custo, e atualmente, mesmo entre as ligas e cobre, são menos utilizadas do que os latões, por exemplo. Mesmo assim, para determinados tipos de aplicações continuam sendo os materiais mais adequados, o que garante sua permanência no grupo dos materiais de engenharia mais utilizados na indústria.

Os átomos de estanho são relativamente grandes em comparação com os átomos de cobre, mas apesar disso possuem solubilidade relativamente elevada no cobre, e esses fatores conjugados proporcionam considerável resistência mecânica e dureza às ligas cobre-estanho, muito superior às dos latões com baixo teor de zinco. E mesmo o latão com 30 % de zinco (C 260) possui resistência mecânica e dureza inferiores às do bronze com 8 % de estanho (C 521). Por outro lado, ao contrário da resistência mecânica, a dutilidade (alongamento em tração) diminui com o aumento do teor de estanho, e embora o bronze com 8 % de estanho seja bastante dútil, não apresenta trabalhabilidade comparável à do latão com 30 % de zinco.

A solubilidade do estanho no cobre cai acentuadamente com o decréscimo da temperatura, mas abaixo de cerca de 300 ºC a taxa de precipitação da fase épsilon é lenta, de modo que ligas que contêm até 10 % de estanho serão monofásicas (fase alfa) após homogeneização adequada e resfriamento até 25 ºC. Termodinamicamente estas ligas poderiam ser endurecíveis por precipitação, já que a fase delta possui elevada dureza, porém a cinética de precipitação é muito lenta, o que faz com que o tempo necessário para atingir um valor de dureza seja excessivamente longo, inviabilizando a aplicação industrial deste tratamento térmico para estas ligas. Por exemplo, o envelhecimento do bronze com 10 % de estanho a 315 ºC por 5 h não produz aumento significativo de dureza e resistência à tração.

O amplo intervalo entre as temperaturas liquidus e solidus fazem essas ligas susceptíveis à segregação durante a solidificação, mesmo as ligas com teores de estanho tão baixos como 8 %, que contêm fase delta como conseqüência da capacidade da região imediatamente externa às dendritas de fase alfa (matriz) conterem até cerca de 13,5 %. A fase alfa reage com a fase líquida para formar uma certa quantidade de fase beta através de uma reação peritética. A fase beta assim formada decompõe-se por uma reação eutetóide em fase alfa e fase gama. Por sua vez a fase gama decompõe-se em fase alfa e fase delta. Esta seqüência pode ser bastante complexa e depende da taxa de resfriamento.

Os bronzes com 10 % ou mais de estanho são usados em aplicações para mancais, que exigem elevada resistência mecânica para poder suportar pesadas cargas e o desgaste mecânico, o que só é possível devido ao significativo efeito de endurecimento por solução sólida (resistência mecânica) e à presença da fase delta, muito dura (resistência ao desgaste). Freqüentemente estas ligas são usadas na condição fundida, sem tratamento térmico subseqüente, para a fabricação de mancais, de modo que as propriedades iniciais dependem do desenvolvimento da fase delta durante o processo de solidificação. Se a liga for utilizada na condição fundida, as propriedades obtidas resultam unicamente das condições do processo de fundição. O fator principal é o tamanho do grão de fase alfa primária e a distribuição da fase delta na microestrutura da liga. Este tamanho de grão da fase alfa primária pode ser reduzido através do aumento da taxa de nucleação na fase líquida, tanto por inoculação como pelo controle adequado da taxa de resfriamento. Quanto mais rápido o resfriamento, mais finas serão as dendritas de fase delta [2].

b) Propriedades dos bronzes

Os bronzes mais utilizados na indústria possuem teores de estanho variando entre 2 e 10 % para as ligas trabalhadas e entre 5 e 11 % para as ligas fundidas. À medida que o teor de estanho aumenta, também aumenta a resistência mecânica da liga até 15 % de estanho, porém a dutilidade diminui sensivelmente, principalmente a partir de 5 % de estanho. Entretanto, as propriedades mecânicas podem ser melhoradas com a adição de até 0,4 % de fósforo, o qual também atua como desoxidante, originando o chamado bronze fosforoso.

A microestrutura do bronze que contém até entre 8 e 16 % de estanho (dependendo das condições de resfriamento), é monofásica (fase alfa) e assim constituída por uma solução sólida de estanho em cobre. Acima desses teores inicia-se a precipitação de uma fase intermetálica, denominada delta, a qual é rica em estanho e possui dureza elevada. A associação desta fase delta com uma matriz alfa dútil resulta em um material com excelentes propriedades antifricção, o qual é muito usado para a fabricação de mancais.

Outra propriedade importante dos bronzes é a sua elevada resistência á corrosão, o que faz com que muitas de suas aplicações baseiem-se nesta propriedade. Em teores limitados o chumbo pode ser adicionado para melhorar as propriedades antifricção, a usinabilidade e a estanqueidade no caso de peças fundidas, enquanto a adição do zinco é importante para desoxidação (também no caso de peças fundidas) e para melhorar a resistência mecânica.

No próximo segmento será feita uma análise individual das propriedades e aplicações dos bronzes mais utilizados industrialmente [1].

c) Aplicações dos bronzes

Bronzes trabalhados (dúteis)

Bronze C 505 (98 % de cobre e 2 % de estanho) – É uma liga monofásica (alfa) que contém pequenos teores de fósforo, sendo a primeira liga da série dos bronzes na classificação CDA-ASTM. Esta liga possui uma condutividade elétrica relativamente alta (cerca de 40 % IACS), principalmente quando os teores de estanho e fósforo estão próximos aos limites inferiores da especificação. Possui resistência mecânica ligeiramente superior à do cobre, porém mantém uma boa trabalhabilidade a frio. Apresenta boa resistência à corrosão em geral e particularmente à corrosão sob tensão. Esta liga é muito utilizada em aplicações elétricas, como contatos de aparelhos de telecomunicações, molas condutoras, e na construção mecânica em tubos flexíveis, parafusos encabeçados por recalque a frio, rebites e varetas de soldagem.

Bronze C 511 (96 % de cobre e 4 % de estanho) – Mantém a estrutura monofásica alfa e também contém pequenos teores de fósforo, apresentando uma boa combinação de trabalhabilidade a frio e resistência mecânica e dureza. Apresenta boa resistência á corrosão, inclusive corrosão sob tensão. É utilizado em aplicações arquitetônicas como ganchos de chapas de revestimento, em aplicações elétricas como molas, componentes de interruptores, chaves, contatos e tomadas, e na construção mecânica como molas, diafragmas, parafusos encabeçados por recalque a frio, rebites, porcas e escovas metálicas.

Bronze C 510 (95 % de cobre e 5 % de estanho) – Possui microestrutura e propriedades bem semelhantes às das duas ligas anteriores, apresentando, porém, uma resistência mecânica ligeiramente superior à do bronze C 511. É produzido sob a forma de barras, chapas e fios, sendo usada na fabricação de ganchos de chapas de revestimento, tubos para condução de águas ácidas, componentes para a indústria têxtil, química e de papel, molas condutoras e componentes de interruptores e tomadas, molas e diafragmas, parafusos, rebites, porcas, escovas, tubos de manômetros, varetas e eletrodos de soldagem.

Bronze C 519 (94 % de estanho e 6 % de bronze) – Esta liga ainda possui microestrutura monofásica e pequenos teores de fósforo, mas possui maior resistência à fadiga e ao desgaste do que os bronzes mencionados anteriormente. Possui propriedades mecânicas, trabalhabilidade e resistência à corrosão muito elevadas. É produzida sob a forma de chapas, barras, fios e tubos. Na indústria química é utilizada é usada na fabricação de tubos de condução de águas ácidas, componentes para as indústrias química, têxtil e de papel, na construção elétrica para molas condutoras e componentes de interruptores, e na construção mecânica em molas e membranas, escovas, tubos de manômetros, engrenagens, componentes de bombas e eletrodos de soldagem.

Bronze C 521 (92 % de cobre e 8 % de estanho) – É uma liga monofásica (fase alfa), que contém, dependendo das condições de fabricação, pequenas quantidades de fase delta. Como possui elevados teores de estanho e de fósforo, apresenta elevadas resistência á fadiga e ao desgaste e propriedades antifricção, além de boa resistência á corrosão. Este bronze é produzido sob a forma de chapas, barras, fios e tubos. Na indústria química é destinado ao mesmo tipo de aplicação que o bronze C519, do mesmo modo que nas aplicações elétricas e na construção mecânica, mas no caso de molas, é uma liga mais adequada para condições de solicitações mais severas, além de ser muito apropriada para a fabricação de discos de fricção.

Bronze C 524 (90 % de cobre e 10 % de estanho) – É uma liga bifásica (contém as fases alfa e delta), que possui elevada resistência á fadiga e ao desgaste, o que recomenda seu uso como material antifricção. Entre os bronzes trabalhados é o que apresenta maior resistência mecânica e dureza, sendo produzido sob a forma de chapas e fios. Suas principais aplicações estão na construção de instalações da indústria de papel e na fabricação de molas para serviços pesados.

Bronzes fundidos

Cu 89 – Sn 11 – Usado para a fabricação de engrenagens diversas.

Cu 88 – Sn 10 – Zn 2 – Utilizado em conexões de tubos grandes, engrenagens, parafusos, válvulas e flanges.

Cu 88 – Sn 6 – Zn 4,5 – Pb 1,5 – Usado em válvulas para temperaturas de até 290 ºC, bombas de óleo e engrenagens.

Cu 87 – Sn 11 – Pb 1 – Ni 1 – Usado em buchas e engrenagens diversas.

Cu 85 – Sn 5 – Pb 9 – Zn 1 – É uma liga usada em mancais e buchas pequenas.

Cu 80 – Sn 10 – Pb 10 – Bronze usado na fabricação de mancais para altas velocidades e grandes pressões e mancais para laminadores.

Cu 78 – Sn 7 – Pb 15 – Bronze aplicado na fabricação de mancais para pressões médias e mancais para automóveis.

Cu 70 – Sn 5 – Pb 25 – Usado em mancais para altas velocidades e pequenas pressões.

Cu 85 – Sn 5 Pb 5 – Zn 5 – É uma liga especial que apresenta alta fundibilidade, sendo utilizada na fabricação de peças de resistência média, mas com boa estanqueidade e usinabilidade. É usada em geral na fabricação de válvulas para pequenas pressões e engrenagens de pequeno tamanho, entre outras aplicações [1].

d) Propriedades dos bronzes

A seguir é apresentado um resumo de faixas de valores típicos das principais propriedades de alguns bronzes mais utilizados na indústria [1].

Tabela 3.1 – Propriedades mecânicas dos bronzes trabalhados

Liga (ASTM) Composição

Limite de resistência à tração
(MPa)

Limite de escoamento
(MPa)

Alongamento (%) Dureza Brinell (HB) Limite de resistência à fadiga (MPa)
505 Cu98 Sn2 280-650 110-500 45-2 60-150 115-225
511 Cu96 Sn4 330-900 130-580 50-2 70-195 210-540
510 Cu95 Sn5 350-950 130-620 55-2 75-205 85-265
519 Cu94 Sn6 370-1000 150-760 60-2 80-225 195-210
521 Cu92 Sn8 420-1050 170-820 65-2 85-240 120-230
524 Cu90 Sn10 440-1000 190-850 65-3 95-245 120-225

Tabela 3.2 – Propriedades mecânicas dos bronzes fundidos

Liga (Composição) Limite de resistência à tração(MPa) Alongamento (%) Dureza Brinell (HB)
Cu 89 Sn 11 200 8 80
Cu 88 Sn 10 Zn 2 220 16 76
Cu 88 Sn 6 Zn 4,5 Pb 1,5 240 17 68

Cu 87 Sn 8 Zn 4
P
b 1

210 14 70

Cu 87 Sn 11 Pb 1 Ni 1

200 8 78

Cu 85 Sn 5 Pb 9
 Zn 1

170 25 63
Cu 80 Sn 10 Pb 10 180 28 69
Cu 78 Sn 7 Pb 15 170 24 57
Cu 70 Sn 5 Pb 25 100 15 50

Cu 85 Sn 5 Pb 9
Zn 1

200 16 62

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