EET 428

Professor Luiz Henrique de Almeida

Metalurgia Fsica das Ligas No

Ferrosas

Engenharia Metalrgica e de Materiais

Escola Politcnica

COPPE/UFRJ

COBRE E SUAS LIGAS

I

Cobre comercialmente puro Ligas de Cobre de Baixo Teor em Liga Cu-Zn Lato Cu-Zn-Pb Lato ao chumbo Cu-Zn-Sn-Pb Lato ao Estanho Cu-Sn Bronze Cu-Sn-P Bronze Fosforoso Cu-Sn-P-Pb Bronze Fosforoso ao chumbo Cu-Pb Cu-Al (Cu-Al-Ni-Fe-Si-Sn) Cu-Ni Cu-Be (endurecidas por precipitao)

COBRE E SUAS LIGAS

COBRE E SUAS LIGAS

+Be

Cobre Berlio

Diagrama de Classificao Simplificado

Excelente condutor de eletricidade

Excelente condutor de calor

Elevada conformabilidade

Elevada resistncia corroso

Elevada usinabilidade

Resistncia mecnica satisfatria

Elevado custo

Caractersticas do metal Cu

COBRE E SUAS LIGAS

Caractersticas do metal Cu

Metal

Condutividade Eltrica Relativa

Cu=100 (padro)

Condutividade Trmica Relativa

Cu=100 (padro)

Ag 106 108

Cu 100 100

Au 72 76

Al 62 56

Mg 39 41

Zn 29 29

Ni 25 15

Fe 17 17

Ao 13-17 13-17

Valores altamente sensveis aos nveis de impurezas.

Se por um lado precisa-se de elementos de liga para aumentar a resistncia mecnica por outro lado perde-se condutividade eltrica. Compromisso Condutividade X Resistncia

COBRE E SUAS LIGAS

COBRE COMERCIALMENTE PURO

Cobre eletroltico tenaz (Cu ETP) - Onde se exige alta condutibilidade eltrica e boa resistncia corroso. Ex.: linhas telefnicas.

Cobre isento de oxignio (Cu OF ou OFHC) - Em equipamentos eletro-eletrnicos, devido alta condutibilidade eltrica e sua maior conformabilidade. [ Tambm pode ser chamado de Cobre eletroltico (ou tough pitch)]

(Qualquer perturbao na periodicidade da estrutura cristalina do Cu provoca um espalhamento de eltrons e consequentemente reduz a condutibilidade eltrica tomo de soluto causa regies localmente tensionadas e uma segunda fase ainda mais prejudicial como no caso do O que forma Cu2O)

Cobre desoxidado com fsforo, de baixo teor em fsforo (Cu DLP) - utilizado em tubos para conduo de fluidos.

APLICAES INDUSTRIAIS

Efeito da concentrao de impurezas

Note que Ag e Pb no reduzem a condutividade. P e Fe so os que mais afetam dentro do grupo Fe, P, Si e Sb.

COBRE COMERCIALMENTE PURO

DIAGRAMA DE

EQUILBRIO CU-O

Euttico a 0,39% O.

Para altos teores de O (0,05%-0,09%) as ligas fundidas vo apresentar uma estrutura dendrtica formada pelo euttico definido no diagrama ( + ).

Mesmo pequenos graus de impureza de O haver a presena de - Cu2O.

Microestruturas tpicas das ligas Cu-O

Tough-pitch copper Cobre refinado com baixo teor de oxignio

Efeito da Concentrao de O na Tenacidade

de Cobres Comercialmente Puros

Limitao do teor de Pb

nas ligas de cobre

comercialmente puras

Solubilidade do Pb no Cu = 0,007% Formao de um euttico de baixo ponto de fuso (3260C) na regio do contorno de gro. Degradao do contorno, fuso localizada. Limite mximo permitido 0,005% para aplicao objetivando alta condutividade eltrica

Ligas de Cobre de Baixo Teor em Liga

Liga cobre-arsnico desoxidado com fsforo (CuAs) - 0,013 e 0,050% Arsnico, melhorar as propriedades mecnicas a temperaturas elevadas e a resistncia

corroso

Liga cobre-prata tenaz (CuAg) - 0,02 a 0,12% de Prata, confere maior resistncia mecnica e resistncia fluncia. Aplicao na indstria eltrica (bobinas) (Ag, Sn e Cr aumentam a resistncia mecnica e elevam a temperatura de recristalizao do Cu. Entre eles a Ag no afeta significativamente a condutividade).

Liga cobre-cromo (CuCr) - 0,8% de Cromo, utilizada para tratamento de endurecimento por precipitao, o qual provoca elevao de resistncia mecnica.

Liga cobre-chumbo (CuPb) - 0,8 a 1,2% de Chumbo, com objetivo de melhorar a usinabilidade do cobre, aplicada em componentes eltricos: conectores, componentes de chaves, parafusos.

LATES

LATES

Os lates comuns so ligas de cobre-zinco, podendo conter zinco em teores que variam de 5% a 50%, o que significa que existem inmeros tipos de lates. a classe mais utilizada dentre as ligas de Cu.

Apresentam as caractersticas do Cu de resistncia a corroso e conformabilidade elevadas, entretanto, tm resistncia mecnica significativamente mais elevada.

Cu CFC e Zn HC. Entretanto, a diferena de tamanho atmico de apenas 4% e por isso apresentam alta solubilidade entre si (ver diagrama de equilbrio). tima relao diferena de raio atmico/solubilidade do Zn no Cu.

DIAGRAMA DE EQUILBRIO DA LIGA COBRE-ZINCO

MICROESTRUTURAS TPICAS DO LATO 70-30

Efeito da concentrao de soluto na tenso cisalhante

resolvida em solues slidas diludas de Cu

Efeito do trabalho a frio na

resistncia e ductilidade

das ligas de lato

comparadas com o Cu

comercialmente puro.

As adies de 20 e 30% de Zn aumentam tanto a tenso para fratura quanto a ductilidade (alongamento at a fratura).

Encruamento e formao do empescoamento

em lates e Cu comercialmente puro.

Importncia do controle de tamanho de gro para a manuteno das boas propriedades de conformao.

O grfico explica porque os lates tm caractersticas desejveis para estampagem profunda (a seguir).

Exemplo das caractersticas

de conformabilidade do

Cobre e dos Lates

Raio do disco maior

ESTAMPAGEM PROFUNDA

PROPRIEDADES MECNICAS DOS PRINCIPAIS

LATES

LATES ESPECIAIS

Ligas contendo chumbo possuem alta usinabilidade, devido presena de partculas dispersas de chumbo.

Ligas com alumnio, com pequenos teores de arsnio, possuem melhor resistncia corroso.

Ligas contendo estanho apresentam boa resistncia corroso em gua doce ou salgada pouco poluda.

Propriedades Mecnicas dos Principais

Lates Especiais

Foi observado na aula que dava mais que 100% - Zn 20

Contribuio do Daniel

Nmero da Liga (designao comercial)

Composio Nominal (wt%)

Formas Comerciais max. (Mpa)

esc. (Mpa)

(%) Usinabilidade

(%)

C36000 (lato de fcil usinagem) (Exemplo de lato com

alto teor de Pb)

61,5 Cu; 3,0 Pb; 35,5 Zn

Produtos planos, Vergalho e Perfilados

338 - 469

124 310

53 18

100

C68700 (bronze com alumnio,

arsenioso)

77,5 Cu; 20,5 Zn; 2,0 Al; 0,1 As

Tubos 414 186 55 20

Propriedades Mecnicas dos Principais

Lates para Fundio

Lates com alto teor de Zn - + (Cu-40Zn)

Variedade de microestruturas envolvendo as fases (CFC) + (CCC)

Mantm excelentes propriedades de conformao a quente e usinabilidade

A liga de Lato mais comum + a Cu-40%Zn Metal Muntz

A fase um composto intermetlico de estequiometria definida para cada temperatura de equilbrio. Cbica de corpo centrado (CCC). A concentrao de Zn nessa fase varia de 45% a 49% de 500oC a temperatura ambiente. Abaixo de 470oC (temperatura crtica para esse composio) os tomos de Cu e Zn assumem posies preferenciais na rede formando uma fase ordenada (arranjo de longo alcance ou super rede).

Reao euttica a 250C na prtica no ocorre (linhas pontilhadas equilbrio atingido para tempos muito longos e isso indica que reao muito lenta para ocorrer em tempos comercialmente razoveis.)

Fase ordenada

estvel a 8000C entre 39 e 55%. A 5000C esse intervalo cai para 45 a 49%

Temperatura crtica de transformao 4790C

Diagrama ao lado pode ser usado na prtica para a temperatura ambiente (observar temperatura de 200 no grfico).

Formao de domnios

ordenados (fase ) abaixo

da temperatura crtica

plano (110)

Domnios ordenados

Mesmo resfriado rapidamente do campo para no se consegue suprimir a

ordenao e pequenos domnios de so formados. Ao mesmo tempo esses domnios tem menor grau de ordenao

Grau de ordenao S varia de 1 (perfeitamente ordenada que o caso da figura d) a 0 (randmica), o que obviamente dependente do tratamento trmico e velocidade de resfriamento.

Propriedades Mecnicas da Fase

Funo do Domnio de Fase

Condio inicial: resfriada lentamente a partir de 5000C. Reaquecida por 15 minutos e resfriada rapidamente nas diferentes temperaturas.

Domnio da fase

neste caso grosseiro

O resfriamento rpido no

consegue suprimir e esta se apresenta em

finos domnios.

O tratamento de reaquecimento age como um envelhecimento, aumentando o grau de ordenao de .

As ligas no so usadas na prtica comercial devido a baixa ductilidade. Entretanto combinada com a fase

formam ligas com boas propriedades.

PROPRIEDADES MECNICAS DOS LATES

Dureza diminui

Baixa ductilidade (relativa para a classe dos lates) em baixas temperaturas e excelente em altas temperaturas (fase desordenada mais dctil).

Microestrutura Lates + (com as fases + )

Propriedades Mecnicas Lates +

Mais , o que gera mais no

resfriamento rpido

Dependentes tambm da quantidade de

Microestrutura dos Lates + em funo

da velocidade de resfriamento

CarolSticky Notecontorno com alfa.formaao de alfa pq nao consegue resfriar rapido sem passar pelo campo alfa.

Microestrutura do Lato + em Funo

dos Tratamentos Trmicos

CarolSticky NoteResfriado rapidamenteCarolSticky Noteaumentou temperatura pra 400 graus depois de resfriar , vai aumentar o teor de alfa. O alfa que tava no contorno ta mais marcado na figura, e vai ter alfa espalhado em beta (o alfa consegue crescer e nuclear no meio de beta). Liga com beta linha eh uma liga fragil. em geral, vai dar alta tenacidade ao material.CarolSticky NoteReaquecimento a 600.cria uma frao de alfa grosseira.

Microestrutura do Lato + em Funo

dos Tratamentos Trmicos

CarolSticky NoteAqueceu a 700graus e resfriou no forno.CarolSticky NoteAquecimento a 700 graus e resfriou ao ar. distribuio fina.

Frao volumtrica de em funo da taxa

de resfriamento

No d tempo de formar

BIBLIOGRAFIA

Charlie R. Brooks Heat Treatment, Structure and Properties of Nonferrous Alloys .