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Metalografia e tratamento térmico do cobre e suas ligas

André Paulo Tschiptschin

PMT-2402 – Metalografia e Tratamentos Térmicos dos Metais

Histórico

• Primeiro metal a ser utilizado pelo homem– Facas de cobre dos antigos egípcios com mias de 8000 anos

– Canos de cobre datados do ano 2750 AC.

Consumo

• É um dos metais não ferrosos mais importantes

Preço

• Preço elevado não incentiva o consumo

• O alumínio é utilizado com frequência como substituto do cobre

Consumo

• 50% na forma de arames de cobre puro

• 18% na forma de chapas e tubos de cobre

• 27% na forma de latões (Cu-Zn)

• 5% outras ligas

Principais propriedades

• Condutividade elétrica do cobre é a mais alta dos metais comuns (exceto prata).

100% IACS

Efeito de impurezas na condutividade elétrica do Cu puroIACS - International Annealed Copper Standard

Influência do encruamento e da recristalização na condutividade elétrica do Cu

Influência da prata na temperatura de recristalização

Cobre puro

Cobre eletrolítico

Diagrama C-O

Diagrama C-O

Cu-O

0,7% O 0,9% O

0,18 % O 0,23 % O

0,09 % O 0,024 % O

Cu-O

Variação dos % de oxigênio e enxofre no refino do Cu

Efeito de impurezas e de oxigênio sobre a condutividade

Análises típicas de Cu de alta pureza

Propriedades mecânicas de cobre puroE = 110 a 125 GPa

Deformação plástica

Efeito do encruamento sobre as propriedades

Efeito do recristalização sobre as propriedades

Efeito do oxigênio sobre as propriedades mecânicas

Fragilização por hidrogênio

Fragilização por hidrogênio

Ligas Cu-Zn

• Latão – Liga de cor amarelada com 85 a 55% Cu.

• Facilidade de conformação plástica (laminação, trefilação, extrusão, forjamento, etc.)

• Boa resistência à corrosão atmosférica e marítima.

• Com frequência apresentam Pb e Sn como elementos de liga.

CFC

α (CFC) + β (CCC)

As Fases β e β’ são cúbicas de fases centradas

Ligas Cu-15% Zn

Ligas Cu-32 a 35% Zn – Latão α + β

Após homogeneização as ligas com até 35% de Zn se tornam 100% α (CFC)

Ligas com 37 a 42% de Zn

Sequencia de fases no diagrama Cu-Zn

As Fases β e β’ são cúbicas de fases centradas

A fase β’ é pouco plástica pois tem estrutura ordenada

A fase γ é cúbica complexa com 52 átomos/célula. É muito frágil. Cor branca.

A fase ε é hexagonal complexa. É frágil e branca.

A fase η, zinco, é hexagonal compacta, moderadamente plástica

Propriedades mecânicas dos latões

Efeito de % Zn e grau de encruamento

Propriedades mecânicas dos latões

Efeito de % Zn e grau de encruamento

Propriedades mecânicas em função da temperatura

Efeito de impurezas

Efeito de elementos de liga

Latões chumbados de corte fácil

Facilitam a usinagem pela quebra fácil do cavaco

Aplicações dos latões

Ligas Cu-Sn – Bronzes

• Primeiras ligas de cobre de alta resistência mecânica.

• Idade do Bronze.

• Ligas de alta dureza e alta resistência à corrosão

Adaga do século 2 AC.

Sino do século 5 AC.

Registro de água

Diagrama de equilíbrio Cu-Sn

Microestruturas de bronzes de estanho

Microestrutura de bronzes de estanho

Diagramas práticos para tratamento térmico e fundição

Propriedades mecânicas de ligas Cu-Sn

Ligas cupro-níquel

• Ligas binárias Cu-Ni de coloração branca

• Excelente resistência à oxidação em temperaturas elevadas.

• Excelente resistência à corrosão em geral.

• Elevada resistência elétrica formaram as primeiras ligas para elementos de aquecimento de fornos.

• Alpacas servem como substituto da prata na fabricação de talheres e serviços de mesa.

Ligas de Cu endurecíveis por precipitação

• Ligas Cu-Be – são as que apresentam o maior limite de resistência e a maior dureza.

Microestrutura das ligas Cu-Be

Microestrutura e propriedades das ligas Cu-Be

Diagramas das ligas Cu-Cr, Cu-Co, Cu-Zr endurecíveis por precipitação

Ligas Cu-Al

• O Al entra em solução sólida no cobre (α) em teores até 9,4% a 565º C

• A microestrutura dos bronzes de alumínio (α) CFC é constituída de grãos poligonais e maclas de recozimento.

• A fase β (CCC) se transforma em martensita β’ (TC) quando temperada (análogo aos aços).

• A martensita do Cu-Al não é dura. Somente endurece durante revenimento (endurecimento por precipitação)

Bronzes de alumínio

• Ligas de Cu com até 14% Al. Ligas binárias têm pouca aplicação

• As ligas com adições possuem excelentes propriedades mecânicas

• Excelente resistência à corrosão.

• Sofrem passivação com formação de Al2O3 na superfície.

• Possuem excelente resistência ao desgaste.

Hélices Buchas Anéis Sincronizadores(Cavitação) Deslizamento) (Deslizamento)

Bronzes de alumínio

Densidade X % Al

Diagrama de fase Cu-Al (eutetóide)

Curvas TTT para transformação de β

Microestrutura e tratamento térmico de bronzes de Al

• Formação de fase β para % Al > 8% e T > 900ºC. Decomposição gera microestruturas complexas.

• Acima de 9,5% Al a têmpera resulta em formação de martensita β’, figura (a).

• Resfriamento lento até 800 ou 650º e posterior resfriamento em água resulta menos martensita, fig. (b) e (c).

• Resfriado até 500ºC e temperado a fase β irá decompor em (α + γ2) frágil.

Revenido da martensita β’

• Liga Cu-10% Al

• Temperada de 900ºC (1 h)

• Revenida 1 h a 400ºC

• Revenida 1 h a 500ºC

• Revenida 1 h a 600 ºC

Propriedades mecânicas e de corrosão das ligas Cu-Al

Resfriadas lentamente Resfriadas rapidamente (têmpera)

Microestruturas

Liga Cu-Al – 5% Fe – 5% Ni