UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL - UFRGS
ESCOLA DE ENGENHARIA - DEPARTAMENTO DE METALURGIA
DISCIPLINA: ENG06634 – FUNDIÇÃO III
Estudo das Ligas de Bronze
Arlan Pacheco Figueiredo
Porto Alegre, Setembro de 2002.
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Ligas de Cobre - Bronzes, Trabalhos de Engenharia Metalúrgica
Trabalho sobre bronzes. Histórico, aspectos econômicos, fornecedores, classificação das ligas, características, pratica de fusão etc.
Tipologia: Trabalhos
Antes de 2010
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL - UFRGS
ESCOLA DE ENGENHARIA - DEPARTAMENTO DE METALURGIA
DISCIPLINA: ENG06634 – FUNDIÇÃO III
Estudo das Ligas de Bronze
Arlan Pacheco Figueiredo
Porto Alegre, Setembro de 2002.
ÍNDICE
1 Introdução ............................................................................................................................ 3 2 Breve histórico ............................................................................................................................ 4 3 Aspectos Econômicos da Produção de Cobre no Mundo ............................................................................................................................ 5 3.1 3.1 Provisão de cobre primário ............................................................................................................................ 5 4 Fornecedores de Bronze ........................................................................................................................... 6 4.1 4.1 No Mundo ............................................................................................................................ 6 4.1.1 4.1.1 CONTIBRONZES - Fundição Contínua e Centrífuga S.A. ............................................................................................................................ 8 4.1.2 (^) 4.1.2 Anchor Bronze & Metals ............................................................................................................................ 8 4.2 4.2 No Brasil ............................................................................................................................ 8 4.2.1 4.2.1 Grupo Paranapanema (Eluma) ............................................................................................................................ 8 4.2.2 4.2.2 Dubronze Aços e Metais Ltda. ............................................................................................................................ 9 5 Classificação e Nomenclatura das Ligas de Cobre ............................................................................................................................ 9 6 Características das Ligas de Bronze ............................................................................................................................ 11 6.1 6.1 Bronzes de Estanho (Ligas de Cu-Sn) ............................................................................................................................ 11 6.2 6.2 Metalografias das ligas Bronze Estanho
Para ligas trabalhadas temos quatro famílias de bronze:
- Cobre-estanho-fósforo – Bronze fosforoso;
- Cobre-estanho-chumbo-fósforo – Bronze fosforoso ao chumbo;
- Cobre-alumínio – Bronze alumínio e;
- Cobre-silício – Bronze ao silício. Ligas fundidas também são classificadas em quatro famílias:
- Ligas cobre-estanho – Bronze;
- Ligas cobre-estanho-chumbo – Bronze ao chumbo e alto chumbo;
- Ligas cobre-estanho-níquel – Bronze ao níquel-estanho e;
- Ligas cobre-alumínio – Bronze alumínio.
2. Breve histórico 1
O cobre foi primeiramente usado pelo homem a mais de 10.000 anos atrás. Um pendente de cobre, descoberto onde se localiza hoje o norte do Iraque, foi datado de 8700 a.C. Por aproximadamente cinco milênios o cobre foi único metal conhecido para o homem, e desse modo tinha todas as aplicações dos metais. Artefatos, decorações e utilitários primitivos de cobre desses tempos onde indubitavelmente o cobre nativo foi martelado. O cobre puro foi descoberto juntamente com minério de cobre em pequenas regiões em diversas partes do mundo. Por volta de 5000 a.C. a metalurgia na sua forma mais simples surgia, com a evidente existência da fusão de simples minérios de óxidos de cobre. Somente por volta 4000 a.C., o ouro apareceu como segundo metal para o homem. Em torno de 3000 a.C. a prata e o chumbo começavam a serem usados como metais e iniciaram-se adições de elementos de ligas no cobre, primeiramente com arsênio e depois com estanho. Por muitos séculos o bronze reinou supremo, sendo usado para arados, ferramentas de todas as espécies, armamento, armaduras e objetos decorativos.
(^1) Disponível em www.copper.org
Embora o cobre seja originário da ilha de Chipre (Cyprus – de onde vem seu nome), e de numerosos outros locais de centro-oeste, a origem do estanho no bronze ainda é um mistério. A idade do bronze terminou repentinamente por volta de 1200 a.C., com um colapso geral do mundo antigo e da interrupção das rotas internacionais de comércio. A provisão de estanho em particular secou e a idade do ferro foi introduzida, não somente porque o ferro era um material superior, mas porque era vastamente disponível. A deliberação de ligas de ferro-carbono para formar os primeiros aços aconteceram durante séculos.
3. Aspectos Econômicos da Produção de Cobre no Mundo
3.1 Provisão de cobre primário A produção mundial 2 das minas de cobre nos últimos anos é mostrada na FIGURA 1. A FIGURA 1 revela uma tendência positiva em relação à produção mundial de cobre. De 1990 para 2001, a produção mundial de cobre primário subiu de 12. short tons para 17.000 short tons 3. A maior parte do cobre produzido no mundo provém da América, principalmente devido à produção do Chile e do Estados Unidos que são os maiores produtores de cobre do mundo. A importância de cada continente em relação à produção de cobre é destacada na FIGURA 2 , onde se observa que mais da metade do cobre produzido no mundo procede do continente americano.
Figura 1 – Variação anual da provisão de cobre primário no mundo. (Fonte International Copper Study Group; ABMS – disponível em http// www.copper.org).
Figura 2 – Produção relativa de cobre no mundo. O continente americano é responsável por mais da metade da produção de cobre mundial. (Fonte: International Copper Study Group; ABMS – disponível em http// www.copper.org).
(^2) Os dados usados para a construção dos gráficos estão nas tabelas em anexo 1. Disponíveis em www.copper.org (^3) Short ton – Tonelada americana, correspondente a 2000 libras ou 907,18 Kg.
Tabela 1 – Empresas especializadas em ligas de cobre. (fonte: disponível no site www.copper.org)
Empresa Endereço Fisk Alloy Wire, Inc. P.O. Box 26Hawthorne NJ 07507 US Phone: (973) 427-7550Fax: (973) 427- Web: www.fiskalloy.com Olin Corporation (Brass Division) 427 N. Shamrock East Alton IL 62024 US Phone: (618) 258- Fax: (618) 258- Email: [email protected] Web: www.olinbrass.com Waterbury Rolling Mills, Inc. 240 East Aurora Street P.O. Box 550 Waterbury CT 06720 US Phone: (203) 754- Fax: (203) 754- Email: [email protected] Web: waterburyrollingmills.com Ansonia Copper & Brass, Inc. (Ansonia Plant)
P.O. Box 109 75 Liberty Street Ansonia CT 06401 US Phone: (203) 732- (800) 521-1703 Fax: (203) 735- Web: www.ansoniacb.com Little Falls Alloys, Inc. 185 Caldwell Ave. P.O. Box M Patterson NJ 07501 US Phone: (888) 532- Fax: (973) 278- Outokumpu American Brass 70 Sayre Street P.O. Box 981 Buffalo NY 14240-098 US Phone: (800) 828- Web: www.outokumpu.com/copper/americas/ index.html PMX Industries, Inc. 5300 Willow Creek Dr. SW Cedar Rapids IA 52404 US Phone: (319) 368- Fax: (319) 368- [email protected]: [email protected]/ Web: www.pmxindustries.com Ampco Metal Incorporated 1745 South 38th Street (Zip 53215) P.O. Box 2004 Milwaukee WI 53201 US Phone: (414) 645- Email: [email protected]: (414) 645- Web: www.ampcometal.com Revere Copper Products, Inc. 24 North Front Street New Bedford MA 02740-732 US Phone: (508) 999- Fax: (315) 338- Web: www.reverecopper.com
Outras empresas especializadas em perfis mais complexos de bronze são encontradas via sites de busca na Internet.
4.1.1 CONTIBRONZES - Fundição Contínua e Centrífuga S.A.^4
Endereço: Rua da Estação nº 10 e 12 - Sabugo 2715-128 Pêro Pinheiro - Portugal Tel. +351 219623997 Fax. +351 219624679 Fundada em 1966, fabricante de Cavilhas, Casquilhos, Rodas de Coroa e outros perfis de Bronze por processos de Fundição Contínua e Centrífuga de alta velocidade. A empresa fornece peças acabadas conforme FIGURA 5.
Figura 5 – Perfis de bronze produzidos pela empresa Contibronzes- Fundições Contínua e Centrífuga S.A. (Disponível em www.contibronzes.com – pagina oficial da empresa).
4.1.2 Anchor Bronze & Metals^5
Anchor Bronze & Metals, Inc. - 11470 Euclid Avenue #509 - Cleveland, Ohio 44106 Fax: 419-818-1781- E-mail: [email protected] A empresa Anchor Bronze & Metals, Inc., é especializada em ligas de cobre em fundição contínua e ligas de bronze de fundição centrífuga, peças completas de máquinas e fundição contínua de ferro em barras.
A maioria das ligas de cobre está disponível na Anchor bronze fundição centrífuga. Os produtos de bronze em fundição contínua, são disponíveis em tubos, barras e chapas. 4.2 No Brasil 4.2.1 Grupo Paranapanema (Eluma) O Grupo Paranapanema, controlado por um pool de fundos de pensão liderados pela Caixa de Previdência dos Funcionários do Banco do Brasil - Previ, foi criado em fevereiro de 1996 com a incorporação de 73 empresas. A partir de sua constituição, a administração buscou focar os negócios na produção de metais não-ferrosos, principalmente cobre, estanho e zinco. Em (^4) Disponível em www.contibronze.com (^5) Disponível em www.anchorbronze.com
C40000 –
C
Ligas cobre-zinco-estanho (latão ao estanho)
C50000 –
C
Ligas cobre-estanho-fósforo (bronze fosforoso)
C53000 –
C
Ligas cobre-estanho-fósforo-chumbo (bronze fosforoso ao chumbo) C55000 – C
Ligas cobre-fósforo e cobre-prata-fósforo (ligas para brasagem) C55300 – C
Ligas cobre-prata-zinco
C60800 –
C
Ligas cobre-alumínio (bronze alumínio)
C64700 –
C
Ligas cobre-silício (bronze ao silício e latões ao silício)
C66200 –
C
Outras ligas cobre-zinco
C70000 –
C
Ligas cobre-níquel
C73500 –
C
Ligas cobre-níquel-zinco (Níquel prata)
Design ação
Família (ligas fundidas)
C8XXX
X
Cobre, ligas alto cobre, vários latões, bronze ao manganês, e ligas Cu-Zn-Si C9XXX X
Ligas Cu-Sn, Cu-Sn-Pb, Cu-Sn-Ni, Cu-Al-Fe, Cu-Ni-Fe e Cu-Ni-Zn
As composições químicas de diversas ligas de bronze estão em anexo.
6. Características das Ligas de Bronze
6.1 Bronzes de Estanho (Ligas de Cu-Sn) São também denominados bronzes comuns. Para uma melhor compreensão do estudo do bronze comum faz-se necessário um estudo do diagrama de equilíbrio Cu-Sn representado na FIGURA 6. Pelo diagrama pode-se observar a presença das seguintes fases: Fase F 06 1 - Solução sólida, parcial, substitucional (CFC), branda e dúctil, e presente em todas as ligas até 36% de Sn. Fase F 06 2 - Fase intermediária, solução sólida (CCC), com 24,6 de Sn, dureza maior que F 06 1. Sofre decomposição eutetóide a 586ºC em fases F 06 1 e F 06 7. Fase F 06 7 - Fase intermediária, solução sólida (CFC), com aproximadamente 27% de Sn que , a 520ºC sofre também uma decomposição eutetóide (F 06 1 + F 06 4 ).
Figura 6 - Diagrama constitucional cobre-estanho. (Fonte: Coutinho, 1980).
Fase F 06 4 - Composto intermetálico (CCC, complexo, composto eletrônico de Cu 31 Sn 8 ), duro e frágil, e quando com 32,5% de Sn pode-se decompor eutetoidemente , a 350ºC, em fases F 06 1 + F 07 8 , em esfriamentos extremamente lentos. Fase F 07 8 - Fase intermediária pseudo hexagonal de composição variável (36,5 a 38% de Sn) (Cu 3 Sn). Importante ainda ressaltar que as fases F 06 2 e F 06 7 não se apresentam na microestrutura dos bronzes esfriados lentamente. As fases F 06 7 e δ apresentam durezas elevadas. A fase F 07 8 é obtida somente em resfriamentos muito lentos, fato que não se verifica em nenhum processo industrial, embora em experiências realizadas em laboratório observou-se a decomposição de δ em α + ξ, a 350ºC e uma microcontração da fase δ, tornado-se a liga microporosa, mesmo para teores de aproximadamente 10% de estanho. [Coutinho, 1980] O bronze comum é utilizado principalmente em fundição de peças de configuração muito complexa (inclusive na moldação artística), devido ao seu baixíssimo valor de contração. A contração no bronze de estanho é inferior a 1%, ao passo que os latões e o gusa atingem 1,5% e nos aços é de 2%. [Gulháev, 1981]
A figura 7 mostra a micrografia de uma liga C90700 cuja composição nominal é dada a seguir:
Cu 88-90, Sn 10-12, Pb .50, Zn. 50, Ni .50, P .30, Sb .20, Fe. 15, S .05, Al. Figura 7 – Micrografia bronze estanho (liga C90700). Processamento: como fundido. Escala (comprimento da linha – 50 micrometros). (Fonte: University of Florida – Disponível no site www.copper.org )
Pode-se observar na estrutura bruta de fusão o intenso zonamento da fase primária α dendrítica de contornos escuros ricos em estanho.
A figura 8 mostra a micrografia da liga C93200 onde se observa inclusões de chumbo. A composição química da liga é dada abaixo:
Cu 81-85, Pb 6-8, Sn 6.3-7.5, Zn 2-4, Ni 1.0, Sb. 35, Fe .2, P .15, Al .15, Si. 005 Figura 8 – Micrografia da liga C93200. Escala a) comprimento da linha – 125 micrometros, b) comprimento da linha – 25 micrometros. Processamento: como fundido. (Fonte University of Florida, Disponível no site www.copper.org)
6.2 Bronzes de Alumínio Bronzes de alumínio são ligas de cobre contendo no máximo 14% de alumínio, podendo ainda conter para os tipos industriais pequenas porcentagem de níquel, manganês, ferro entre outros, objetivando o refino da granulação com melhor
resistência à corrosão e à tração. De acordo com o diagrama cobre-alumínio, mostrado na FIGURA 7 , verifica-se a presença das seguintes fases: Fase α - solução sólida, substancial, primária de alumínio no cobre (CFC), até 9,4% de alumínio em peso, branda dúctil e trabalhável a frio. Fase β - solução sólida, com base em composto Cu 3 Al, (CCC), mais dura e menos dúctil que a fase α, apresentando decomposição eutetóide, lamelar, para 11,8% de Al em peso a 560ºC, para α + γ (^) 2. Fase γ 1 − presente acima de 780ºC para ligas acima de 13,6% de alumínio,
mais dura e menos frágil que a fase β, raramente encontrada nas ligas usuais, similar a fase γ 2 existente abaixo de 780ºC.
Fase γ 2 − composto eletrônico (Cu 9 Al 4 ) (CCC), muito dura e frágil, quebradiça. Os bronzes de alumínio contendo 5 – 10% de Al, possuem elevadas propriedades mecânicas e tecnológicas, devido ao fato de cristalizarem em uma pequena faixa de temperatura, que permite uma maior fluidez mas com o revés de uma alta contração.
Figura 9 – Diagrama de equilíbrio cobre-alumínio. (Fonte: Coutinho, 1980). Pode-se observar pelo diagrama acima a presença de um ponto eutetóide com 11,8% de alumínio à 565ºC, que torna ligas usualmente em torno de 10% de alumínio, susceptíveis a tratamentos térmicos por têmpera e revenido, semelhante ao que ocorre nos aços. A adição de níquel, manganês e ferro tem por objetivo diminuir o tamanho do grão e melhorar as propriedades mecânicas e de resistência à corrosão, podendo-se executar um tratamento de tempera e revenido para aumentar suas características. A figura 9 mostra duas micrografias da liga C95400 com composição nominal de Cu 85,8; Al 10,2; Fe 4,
Figura 10 – Micrografia da liga bronze alumínio C95400. a) Processamento: fundida, recozida e resfriada no forno. Escala: comprimento da linha – 50 micrometros. b) processamento: fundido, recozido a 621ºC e temperado com água. Escala: comprimento da linha: 500 micrometros.
6.3 Bronzes de Berílio A liga Cu-Be é de grande importância pois conforme mostra o diagrama de equilíbrio da FIGURA 11 , a liga com 2% de Be é susceptível ao endurecimento por
Figura 12 – Diagrama de equilíbrio cobre-silício. (Fonte Metals Handbook, volume 9).
7. PRODUÇÃO DO BRONZE
Temperaturas de fusão para ligas de cobre são consideravelmente mais altas que para ligas de alumínio, magnésio, zinco ou chumbo. A temperatura de vazamento para ligas de cobre freqüentemente é tão alta quanto 2400 F (F 0B B 1315ºC). No estado líquido, ligas de cobre comportam-se muito semelhante às ligas ferrosas de densidade similar. Ligas de cobre fundidas são susceptíveis a contaminação pelos refratários como também pela atmosfera. Com exceção das ligas de cobre-berílio e cobre1%Cr, as ligas de cobre fundidas contêm pelo menos 10% de adição de ligantes e freqüentemente essas adições excedem 40%. Adições de ligantes possuem um marcante efeito na temperatura a qual o metal começa a fusão e na temperatura na qual a fusão está completamente terminada (temperatura sólidus e liquidus).Temperaturas de início e fim de fusão são dadas na tabela 3 para oito das principais ligas de cobre fundida. Para quaisquer ligas de cobre, a temperatura de vazamento é superior a temperatura líquidus. Tabela 3 – Temperaturas de fusão das principais ligas de cobre fundidas. Liga Temperatura, F, atm: Composição nominal
Início da Fusão (sólido)
Fim da fusão Fase (Líquido) cobre
Fase Chumbo 88Cu-6Sn-1,5Pb- 4,5Zn
80Cu-10Sn-10Pb 1403 598 1705 85Cu-5Sn-5Pb-5Z n
76Cu-2,5Sn-1, Fe-1,25Al-0,25 Mn
57,5Cu-39,25Zn- ,
64Cu-4Sn-3Fe-5A l-4Mn
64Cu-4Sn-8Zn- Ni
81Cu-4Si-15Zn 1510 1683
7.1 Fornos de Fusão Fornos de fusão para ligas de cobre podem ser aquecidos por combustão ou aquecidos eletricamente. Eles são amplamente classificados em 4 categorias:
- Forno para cadinho,
Fornos de cadinhos inclináveis – são disponíveis em capacidades de 300 a 3000 Lb (136 a 1360 Kg) de cobre. Dois tipos são disponíveis: aqueles que inclinam em um eixo ao bico vazador e aqueles que inclinam em um eixo central do forno. Uma vantagem do tipo eixo no bico vazador, é que durante vazamento, o veio de metal fundido está em uma posição fixa, e com isto não é necessário mover a panela de fundição. Fornos com eixo-bico são usualmente inclinados hidraulicamente. Fornos com eixos centrais podem ter operação hidráulica, mas não é necessária para pequenos fornos com capacidade inferior a aproximadamente 600 Lb (272, Kg). Uma vez que os cadinhos não são removidos dos fornos inclináveis, eles têm vida útil maior do que os cadinhos que são içados para fora.
Enriquecimento de oxigênio – Gases de combustão para fornos de cadinhos podem ser operados com enriquecimento de oxigênio do ar fornecido. O curto tempo de fusão que resulta do completo enriquecimento de oxigênio é efetivo em oxidação decrescente do metal fundido. Com oxigênio enriquecido, há um aumento na capacidade de fusão da Fundição, sem investimento adicional de capital, equipamentos ou espaço. Oxigênio enriquecido tem sido pesquisado somente experimentalmente.
7.1.2 Forno de revérbero Fornos de revérbero são fornos aquecidos por combustão com chama descoberta na qual a carga é fundida por radiação das paredes e do telhado quentes e por convecção dos movimentos de gases quentes. Fornos de revérbero são disponíveis em uma variedade de tamanhos e modelos. A faixa de capacidade varia de aproximadamente 50 Lb até algumas toneladas. Fornos de revérbero inclináveis são os tipos mais freqüentemente usados para fusão de ligas de cobre na fundição. Estes tipos de fornos são carregados por assentamento da carga material no reservatório. Os queimadores para um forno de revérbero inclinável estão no mesmo lado que o exaustor. Esta característica serve para aumentar a eficiência térmica, pois o calor dos gases do exaustor necessariamente retorna transversalmente a superfície do fundido, o qual aumenta a quantidade de calor por convecção.
7.1.3 Fornos de Indução
Fornos de Indução possui vantagens severas para fusão na Fundição de ligas de cobre. Tais fornos são de limpeza e controle fácil, não contaminando o fundido com produtos de combustão, e são extremamente flexíveis em suas operações. Características elétricas (primeiramente potência de entrada), podem ser relacionadas diretamente à quantidade de calor produzido. O fundido pode ser mantido indefinidamente a qualquer temperatura desejada para cargas aproximadamente abaixo de 10% da capacidade do forno avaliada. Agitadores eletromagnéticos nesses fornos garantem homogeneidade na composição e uniformidade da temperatura. A principal desvantagem da fusão por indução é o custo do forno. Um forno de indução com capacidade de 1000 Lb (F 0B B 453,6 Kg), custará de $30.000 a $40.000, comparado aos $1500 a $3000 para um forno de revérbero aquecido por combustão de capacidade equivalente. A manutenção do forno de indução não é o principal item, mas manutenção técnica especializada deve ser disponível, se preciso, devido à complexidade dos equipamentos elétricos. Fornos de indução em geral são de dois tipos: Com núcleo (calha), usado em potências de baixas freqüências e, Sem núcleo, usado tanto para baixas freqüências como em altas freqüências. Correntes de baixa freqüência são usualmente freqüências lineares geralmente 60 ciclos por segundo. Correntes de alta freqüência são fornecidas por geradores, ou osciladores eletrônicos e faixas de freqüência de alguns milhares a muitos milhares de ciclos por segundo.
Fornos com núcleo – Em um forno de indução com núcleo um canal de metal fundido age tanto como um circuito elétrico secundário acoplado como um transformador redutor. Calor do metal no circuito elétrico é transferido para a carga acima. Fornos de núcleo são mais eficientes do que fornos sem núcleo para fusão de ligas de cobre. Por exemplo, 310 KWhr por tonelada é necessário em um forno com núcleo para fundir cobre enquanto um forno sem núcleo necessita apenas de 440 KWhr por tonelada. A grande desvantagem dos fornos de indução com núcleo, deve-se à necessidade de manter metal fundido na soleira durante todo o tempo. Uma carga fundida deve ser fundida separadamente e colocada no forno para dar início ao processo de fusão. As vantagens econômicas do forno de indução com núcleo são melhores realizadas quando o forno é operado continuamente no mínimo por 16 hrs por dia.