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