Padrões e Propriedades: Metalurgia do Cobre

Por William D. Nielsen, Jr.

As propriedades básicas das ligas de cobre são amplamente influenciadas pelas propriedades do próprio cobre. O cobre é conhecido por possuir certas qualidades únicas que o tornam o melhor material de engenharia para aplicações em rolamentos. Estes são:

Todas as três qualidades acima estão diretamente relacionadas à estrutura e ao comportamento da estrutura do cobre em escala atômica.

O cobre sólido pode ser descrito como o arranjo de átomos de cobre em uma configuração cúbica de face centrada (fcc). Um átomo de cobre é encontrado em cada canto e no centro de cada face de um cubo, conforme mostrado na figura.figura 1 . Esta é a célula unitária que se repete no espaço tridimensional para formar a estrutura cristalina do metal.

Os átomos são mantidos no lugar na estrutura pela energia das atrações atômicas entre eles. É esse arranjo cúbico específico dos átomos de face centrada que confere ao cobre sua alta ductilidade e tenacidade. Todos os metais se deformam por meio de um mecanismo denominado deslizamento. Quando ocorre o deslizamento, uma força no metal faz com que os átomos deslizem uns sobre os outros em grupos. Na estrutura CFC de cobre, esse movimento ocorre preferencialmente em qualquer uma ou em todas as três direções ao longo de um plano geométrico específico de átomos dentro da rede, como mostrado emFigura 2.

A combinação de estruturas eletrônicas e cristalográficas do cobre confere excelente resistência à corrosão. A nuvem de elétrons livres está prontamente disponível para formar filmes coerentes na superfície do metal que protegem a rede de corrosão adicional.

A estrutura CFC que gera os planos de deslizamento confere outra característica a esses mesmos planos. Os átomos nos planos de deslizamento estão tão próximos quanto possível em qualquer sistema metálico (Figura 2 ). Este arranjo eficiente de átomos acumula a maior parte da matéria em um determinado espaço (como as abelhas parecem saber quando constroem favos de mel). É muito difícil para os íons de hidrogênio encontrarem seu caminho através dos pequenos espaços entre os átomos e causarem fissuras por corrosão sob tensão, exceto nos ambientes mais agressivos.

Vimos como o cobre, o metal base do bronze fundido, quando visto em escala atômica, confere características importantes para bons materiais de rolamento. Mas os rolamentos não são feitos de cobre puro, mas sim de uma ampla variedade de ligas de cobre que estão atualmente disponíveis. Cada uma dessas ligas melhora o desempenho do cobre puro e adapta ainda mais o novo material a ambientes específicos. Vamos examinar alguns dos sistemas de liga mais comuns com relação à metalurgia do material e sua finalidade no projeto de rolamentos.

Os tipos de rolamentos de bronze fundido podem ser classificados metalurgicamente em três categorias:

Para compreender o desempenho de diferentes ligas, devemos primeiro entender o que acontece com a estrutura básica do cobre quando pequenas quantidades de metais de liga são adicionadas. As reações ocorrem durante a solidificação e resfriamento das ligas a partir do seu estado fundido.

Em termos simples, o arranjo final dos metais de liga em relação à rede normal de cobre da CFC determina as propriedades do material da liga.

Os metais de liga encontram seu lugar na rede de cobre de três maneiras básicas:

A pesquisa resultou na representação gráfica de como reagem sistemas de ligas binárias simples. Esta representação é chamada de diagrama de fases. Os diagramas de fases de alguns sistemas binários relevantes para o bronze mostram o comportamento dos elementos de liga que normalmente resulta em um dos três casos mencionados anteriormente. O diagrama de fases de equilíbrio cobre-estanho (Figura 3) ilustra os Casos (1) e (2).

Um exemplo de tal liga comercial monofásica é a liga C90300, cujas propriedades são comparadas com o cobre na tabela abaixo.

Se o teor de estanho for aumentado para 11% ou mais, parte da fase alfa se transformará à medida que o metal esfria abaixo de 400°C. Uma nova fase aparece, intercalada pelos cristais normais de FCC alfa. Esta fase, chamada delta, pode ser preservada no material com um resfriamento bastante rápido (