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Metais & Ligas | Cobre | Informações Técnicas

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 recristalizaçã

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