Padrões e Propriedades: Metalurgia do Cobre

Por William D. Nielsen, Jr. Western Reserve Manufacturing Co., Inc.

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 dos 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 representado nafigura 1 . Esta é a célula unitária que se repete no espaço tridimensional para compor a estrutura cristalina do metal.

Os átomos são mantidos no lugar na estrutura pela energia das atrações atômicas entre eles. É esse arranjo cúbico de face centrada particular dos átomos que dá ao cobre sua alta ductilidade e tenacidade. Todos os metais se deformam por meio de um mecanismo chamado deslizamento. Quando ocorre o deslizamento, uma força no metal faz com que os átomos deslizem uns sobre os outros em grupos. Na estrutura fcc 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 naFigura 2.

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

A estrutura fcc que gera os planos de deslizamento confere outra característica a esses mesmos planos. Os átomos nos planos de deslizamento são compactados o mais próximo possível em qualquer sistema metálico (Figura 2 ). Esse arranjo eficiente de átomos concentra o máximo de matéria em um determinado espaço (como as abelhas parecem saber quando constroem favos). É muito difícil para os íons de hidrogênio encontrar seu caminho através dos pequenos espaços entre os átomos e causar trincas por corrosão sob tensão, exceto nos ambientes mais agressivos.

Vimos como o cobre, o metal base para o bronze fundido, quando visto em escala atômica, confere as características importantes para bons materiais de rolamento. Mas os rolamentos não são feitos de cobre puro, mas sim de uma ampla gama de ligas de cobre que agora estão 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 ligas mais comuns com relação à metalurgia do material e sua finalidade no projeto do rolamento.

Os graus de rolamento de bronze fundido podem ser classificados metalurgicamente em três categorias:

Para entender 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 de ligas de seu estado fundido.

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

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

A pesquisa resultou na representação gráfica de como sistemas simples de ligas binárias reagem. Essa representação é chamada de diagrama de fases. Os diagramas de fase 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 dessa liga comercial monofásica é a liga C90300, cujas propriedades são comparadas com o cobre na tabulação 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 ao longo dos cristais alfa FCC normais. Essa fase, chamada delta, pode ser preservada no material com resfriamento bastante rápido (