Material de cobre

O cobre tem sido um material fundamental para a inovação humana há milhares de anos.

De civilizações antigas a tecnologias modernas de ponta, versatilidade do cobre, condutividade, e durabilidade tornaram-no indispensável.

Esta postagem irá explorar os vários graus e tipos de cobre, aprofundar-se em suas principais propriedades, e discutir suas diversas aplicações.

E fornecer dicas úteis de seleção para ajudá-lo a escolher o cobre certo para seu próximo projeto.

1. O que é cobre?

cobre (Cobre) é um elemento metálico com o símbolo químico Cu. ‌

O cobre é um elemento de metal de transição com número atômico de 29 e está localizado no 4º período e grupo IB da tabela periódica.

O cobre puro é um metal macio com uma cor laranja-avermelhada quando a superfície acaba de ser cortada, com brilho metálico, uma cor vermelho-púrpura quando o elemento é puro,

boa ductilidade, alta condutividade térmica, e condutividade elétrica.

O elemento cobre ou Cu pertence à categoria de metal vermelho junto com latão e bronze. O elemento cobre é um material não ferroso e altamente processável, então é fácil fabricar peças diferentes.

É o terceiro metal mais utilizado no mundo depois do ferro e do alumínio.

Da perspectiva das minas globais de cobre e da produção contendo cobre, de acordo com o ICSG, de janeiro a outubro 2022,

os três principais países do mundo em termos de produção de minas de cobre são o Chile, Peru, e Congo, contabilidade para 24%, 11%, e 10% da produção global de cobre, respectivamente.

A produção de minas de cobre da China ocupa o quarto lugar no mundo, contabilidade para 9%.

2. Processos de Fabricação

Extração e Refino

• Mineração: O cobre é extraído principalmente de depósitos de minério por meio de mineração a céu aberto ou subterrânea. Os principais minérios de cobre incluem calcopirita (CuFeS2) e nascido (Cu5FeS4).
  A mineração a céu aberto é responsável por cerca de 60% da produção global de cobre.
• Fundição: Depois da mineração, o minério é processado para concentrar o teor de cobre. Isto envolve esmagamento, moagem, e flotação para separar minerais de cobre de resíduos de rocha.
  O concentrado normalmente contém 20-30% cobre.
• Refino: O cobre concentrado é então refinado para produzir cobre puro. Dois métodos principais de refino são:

• • Fundição Pirometalúrgica: Este método envolve o aquecimento do concentrado em um forno para extrair impurezas e produzir bolhas de cobre., que contém cerca de 98-99% cobre.
  • Refino Eletrolítico: O cobre blister é ainda mais refinado pela passagem de uma corrente elétrica através de uma solução de sulfato de cobre., depositando cobre puro no cátodo.
    Este processo resulta em cobre com pureza de 99.99%.

Formando e Modelando

Fundição

Fundição envolve despejar cobre fundido em moldes para criar formas e peças complexas. Este método é ideal para produzir componentes complexos:

• Fundição em Areia: O cobre fundido é derramado em moldes de areia, que são então resfriados e quebrados para revelar a peça fundida.
• Fundição sob pressão: O cobre fundido é injetado sob alta pressão em matrizes metálicas, permitindo a produção de peças precisas e detalhadas.

Rolando

A laminação é usada para transformar cobre em folhas, pratos, e tiras. Este processo envolve a passagem do cobre através de uma série de rolos:

• Laminação a Quente: O cobre é aquecido e passado por rolos para reduzir sua espessura e melhorar sua uniformidade.
• Laminação a Frio: O cobre é laminado à temperatura ambiente para obter ainda maior precisão e acabamento superficial. A laminação a frio pode produzir folhas tão finas quanto 0.005 polegadas.

Desenho

O desenho é usado para criar fios e tubos puxando o cobre através de matrizes:

• Desenho de fio: As hastes de cobre são puxadas através de uma série de matrizes progressivamente menores para reduzir seu diâmetro.. Este processo pode produzir fios tão finos quanto 0.0005 polegadas.
• Desenho de tubo: Varetas de cobre são puxadas através de matrizes para formar tubos de vários diâmetros e espessuras de parede.

Forjamento

Forjar envolve moldar o cobre martelando ou pressionando-o na forma desejada. Este método é frequentemente usado para aplicações de alta resistência:

• Forjamento em matriz aberta: O cobre é colocado entre duas matrizes planas e martelado ou prensado para moldá-lo..
• Forjamento em matriz fechada: O cobre é colocado em uma matriz com formato específico e martelado ou prensado para preencher a cavidade da matriz..

Extrusão

A extrusão é usada para criar cobre com perfis transversais específicos. O processo envolve forçar o cobre através de uma matriz:

• Extrusão Direta: O cobre é empurrado através da matriz por um carneiro, criando a forma desejada.
• Extrusão Indireta: A matriz é empurrada através do cobre, que é mantido em um recipiente. Este método é menos comum, mas pode produzir formas mais complexas.

3. Tipos de cobre e suas qualidades

O cobre é um metal versátil amplamente utilizado em uma variedade de indústrias, e suas propriedades podem ser melhoradas ou modificadas ligando-o com outros elementos.

Compreender os tipos de cobre e seus respectivos graus é essencial para escolher o material certo para sua aplicação específica.

Nesta seção, exploraremos os principais tipos de cobre e os tipos mais comuns usados ​​na fabricação.

3.1. Cobre Puro (Cobre não ligado)

Cobre puro é a forma de cobre de mais alta qualidade e é frequentemente usado onde a condutividade elétrica, alta condutividade térmica, e maleabilidade são os fatores mais críticos.

Ele contém 99.9% cobre, com apenas vestígios de outros elementos.

Graus comuns de cobre puro:

• C11000 (Cobre Eletrolítico de Passo Resistente – ETP): Este é o tipo de cobre puro mais comumente usado.
  Possui excelente condutividade elétrica (aproximadamente 100% SIGC), tornando-o ideal para fiação elétrica, cabos de alimentação, e componentes em equipamentos elétricos.
  Também é resistente à corrosão e altamente dúctil, que é útil em diversas aplicações industriais.

• C10100 (Cobre sem oxigênio): O cobre isento de oxigênio é refinado para um nível de pureza mais alto que o C11000, removendo o conteúdo de oxigênio,
  tornando-o ideal para aplicações de alto desempenho que exigem alta condutividade e resistência à fragilização por hidrogênio,
  como tubos de vácuo, equipamentos de áudio de última geração, e sistemas elétricos sensíveis.

3.2. Ligas de cobre

Embora o cobre puro seja útil em muitas aplicações, ligas de cobre são muitas vezes mais práticos devido às suas propriedades mecânicas melhoradas, incluindo aumento de força, melhor resistência à corrosão, e melhor desempenho em ambientes de alto estresse.

As ligas de cobre são normalmente feitas pela combinação de cobre com elementos como o zinco, estanho, alumínio, e berílio.

UM. Latão (Ligas de cobre-zinco)

Latão é uma liga de cobre e zinco. É conhecido por sua aparência dourada, excelente usinabilidade, e resistência à corrosão, o que o torna útil em uma ampla gama de aplicações,
como encanamento, conectores elétricos, e instrumentos musicais.

• C36000 (Latão de usinagem livre): Uma das ligas de latão mais populares, C36000 é ideal para usinagem e é amplamente utilizado para produzir peças roscadas, acessórios, e fixadores.
  Possui alta usinabilidade e pode ser facilmente moldado em formas complexas.
• C27000 (Latão Comercial): Contendo ao redor 30% zinco, esta liga é menos usinável que a C360, mas fornece um equilíbrio de resistência, resistência à corrosão, e facilidade de soldagem.

B. Bronze (Ligas de cobre-estanho)

Bronze é outra importante liga de cobre, feito principalmente de cobre e estanho. É conhecido por sua dureza, resistência à corrosão, e resistência ao desgaste, tornando-o ideal para uso em ambientes marinhos e de alto estresse.

• C51000 (Bronze Fósforo): Contém pequenas quantidades de fósforo, o que aumenta sua resistência e resistência ao desgaste. É amplamente utilizado em contatos elétricos, molas, e rolamentos.
• C61400 (Alumínio Bronze): Esta liga de bronze contém alumínio e cobre, proporcionando excelente resistência, resistência à corrosão (especialmente na água do mar), e resistência ao desgaste.
  É comumente usado para hardware marítimo, válvulas, e pás de turbina.

C. Berílio Cobre (Ligas de cobre-berílio)

Cobre berílio é uma liga de cobre de alta resistência que contém berílio (geralmente 0.5-3%) junto com cobre.
Possui excelente condutividade elétrica e é mais forte do que muitas outras ligas de cobre., o que o torna útil em aplicações que exigem alta resistência, condutividade, e resistência à corrosão.

• C17200 (Berílio Cobre): Este é o tipo de cobre-berílio mais amplamente utilizado.
  É comumente usado para aplicações que exigem alta resistência à fadiga, como contatos elétricos, molas, e conectores na indústria aeroespacial, automotivo, e máquinas industriais.
• C17000 (Berílio Cobre, Alta resistência): Esta classe tem uma resistência ainda maior que a C17200 e é usada em instrumentos de precisão, aplicações militares, e molas de alto desempenho.

D. Alumínio Bronze (Ligas de cobre-alumínio)

Bronze de alumínio combina cobre e alumínio para formar uma liga que é mais forte e resistente à corrosão do que o bronze normal.
É conhecido por sua excelente resistência ao desgaste e à fadiga, tornando-o adequado para aplicações de alto estresse.

• C95400 (Alumínio Bronze): Contendo até 11% alumínio, esta liga é usada para aplicações marítimas, cilindros hidráulicos, e rolamentos.
• C95800 (Bronze de alumínio de alta resistência): Um bronze de alumínio de alta resistência usado para componentes altamente solicitados em indústrias como aeroespacial e automotiva.

3.3. Outras ligas e classes de cobre

UM. Ligas de cobre-níquel

As ligas de cobre-níquel são conhecidas pela sua resistência à corrosão na água do mar e em outros ambientes agressivos..
Essas ligas são usadas em aplicações marítimas, usinas de dessalinização, e equipamentos de processamento químico.

• C70600 (90/10 Cobre-Níquel): Esta liga contém 90% cobre e 10% níquel. É comumente usado em ambientes marinhos para trocadores de calor, tubos condensadores, e tubulação de água do mar.
• C71500 (70/30 Cobre-Níquel): Com maior percentual de níquel, esta liga oferece melhor resistência e resistência à corrosão do que o 90/10 liga e é usado em aplicações marítimas e industriais mais exigentes.

B. Ligas de cobre-chumbo

Essas ligas de cobre têm pequenas quantidades de chumbo adicionadas para melhorar a usinabilidade. Eles são frequentemente usados ​​para fabricar peças que requerem fácil usinagem, como buchas, rolamentos, e engrenagens.

• C93200 (Bronze de estanho com chumbo): Esta liga possui alto teor de chumbo e estanho, tornando-o ideal para aplicações de alta carga, como buchas e buchas de rolamento.

3.4. Como escolher o tipo certo de cobre

A escolha do tipo de cobre certo depende de vários fatores:

• Requisitos de aplicação: Considere as propriedades mecânicas necessárias, como força, resistência à corrosão, e condutividade.
  Para componentes elétricos, cobre de alta condutividade como C11000 é ideal, enquanto para aplicações de alta resistência, ligas de cobre-berílio (C17200) pode ser mais apropriado.
• Condições Ambientais: A peça ficará exposta à água do mar, altas temperaturas, ou substâncias corrosivas?
  Bronze de alumínio (C95400) ou ligas de cobre-níquel (C70600) são mais adequados para tais ambientes.
• Considerações de custo: Cobre puro (C11000) pode ser mais caro que ligas, mas sua alta condutividade o torna indispensável para aplicações elétricas.
  Por outro lado, ligas de latão ou bronze podem oferecer uma opção mais econômica para uso geral.
• Usinabilidade: Se você precisa de um material fácil de usinar, latão de usinagem livre como C36000 é uma boa escolha, pois tem uma alta classificação de usinabilidade.

4. Principais propriedades do cobre

As propriedades únicas do cobre tornam-no um material inestimável em vários setores. Compreender essas propriedades é crucial para selecionar o tipo certo de cobre para aplicações específicas.
Aqui, nos aprofundamos nas propriedades químicas e físicas do cobre.

Propriedades Químicas

Resistência à corrosão

• Formação Natural de Pátina: Uma das propriedades químicas mais notáveis ​​do cobre é a sua capacidade de formar uma pátina protetora..
  Quando exposto ao ar e à umidade, o cobre desenvolve uma camada verde de carbonato de cobre e sulfato de cobre.
  Esta pátina atua como uma barreira, evitando mais corrosão. A formação da pátina pode demorar vários anos, dependendo das condições ambientais.
• Resistência à água e ácidos: O cobre não reage com a água, tornando-o ideal para sistemas de encanamento e abastecimento de água.
  No entanto, pode reagir com ácidos fortes como ácido nítrico e ácido sulfúrico, bem como bases fortes.
  O cobre é geralmente resistente à maioria dos ácidos e álcalis não oxidantes, o que aumenta sua durabilidade em vários ambientes.

Reatividade

• Oxidação: O cobre pode oxidar quando exposto ao ar, formando uma camada de óxido de cobre (CuO).
  Esta oxidação é mais lenta em comparação com outros metais e não afeta significativamente a integridade do material..
• Corrosão Galvânica: Quando o cobre está em contato com metais mais ativos como alumínio ou aço na presença de um eletrólito (por exemplo, água salgada), corrosão galvânica pode ocorrer.
  Para evitar isso, recomenda-se isolamento adequado ou o uso de materiais compatíveis.

Estabilidade Ambiental

• Ambientes Atmosféricos e Marinhos: A resistência natural do cobre aos ambientes atmosféricos e marinhos torna-o um material preferido para aplicações exteriores e marítimas.
  Pode suportar exposição prolongada ao ar, chuva, e água do mar sem degradação significativa.

Propriedades Físicas

Densidade

• Valor: 8.96 g/cm³
• Significado: A densidade do cobre é relativamente alta, o que pode ser uma desvantagem em aplicações sensíveis ao peso, como aeroespacial.
  No entanto, esta propriedade também contribui para a sua estabilidade e integridade estrutural em muitos outros usos.

Ponto de fusão

• Valor: 1,085°C (1,984°F)
• Significado: O alto ponto de fusão do cobre o torna adequado para aplicações em altas temperaturas, como trocadores de calor e fornos.
  Pode manter sua integridade estrutural e condutividade em temperaturas elevadas.

Condutividade Térmica

• Valor: 385 S/m·K
• Significado: O cobre tem uma das mais altas condutividades térmicas entre os metais, perdendo apenas para a prata.
  Esta propriedade o torna ideal para aplicações que exigem transferência de calor eficiente, como sistemas de refrigeração, trocadores de calor, e utensílios de cozinha.
  Pode dissipar rapidamente o calor, melhorando o desempenho e a eficiência desses sistemas.

Condutividade Elétrica

• Valor: 59.6 × 10^6 S/m
• Significado: A alta condutividade elétrica do cobre é uma de suas propriedades mais importantes.
  É amplamente utilizado em fiação elétrica, placas de circuito impresso (PCB), e componentes eletrônicos.
  A capacidade do cobre de conduzir eletricidade com resistência mínima garante sistemas elétricos eficientes e confiáveis.

Ductilidade e maleabilidade

• Ductilidade: O cobre pode ser transformado em fios finos sem quebrar. Esta propriedade é crucial para a produção de fios e cabos elétricos, que exigem flexibilidade e força.
• Maleabilidade: O cobre pode ser martelado ou laminado em folhas finas sem fraturar.
  Esta propriedade permite a produção de chapas de cobre, pratos, e outros componentes finos, tornando-o versátil para vários processos de conformação e modelagem.

Expansão Térmica

• Valor: 16.5 µm/m·°C (de 20°C a 100°C)
• Significado: O cobre tem um coeficiente moderado de expansão térmica, o que significa que ele se expande e contrai com as mudanças de temperatura.
  Esta propriedade deve ser considerada em aplicações onde as variações de temperatura são significativas para evitar tensões e possíveis falhas..

Propriedades Magnéticas

• Não magnético: O cobre não é magnético, o que é benéfico em aplicações onde a interferência magnética precisa ser minimizada, como em dispositivos eletrônicos e equipamentos médicos.

5. Vantagens e desvantagens do cobre

Vantagens

• Excelente condutividade elétrica e térmica: A alta condutividade do cobre o torna ideal para fiação elétrica, trocadores de calor, e sistemas de refrigeração.
  É usado em cerca 70% de toda a fiação elétrica.
• Resistência à corrosão: A resistência natural do cobre à corrosão garante componentes duradouros e duráveis, especialmente em ambientes atmosféricos e marinhos.
• Maleabilidade e Ductilidade: A capacidade do cobre de ser facilmente moldado e formado em vários componentes o torna versátil para muitas aplicações.
• Reciclabilidade: O cobre é 100% reciclável sem perda de qualidade, tornando-o um material ecológico.
  A reciclagem do cobre economiza até 85% da energia necessária para extrair e refinar novos.

Desvantagens

• Alto custo: O cobre é mais caro do que alguns materiais alternativos, o que pode aumentar os custos do projeto. O preço do cobre pode flutuar significativamente devido às condições de mercado.
• Peso: O cobre é mais pesado do que alguns outros materiais, o que pode ser uma desvantagem em aplicações sensíveis ao peso, como aeroespacial.
• Suavidade: O cobre puro é relativamente macio e pode deformar-se sob alta tensão., exigindo liga para maior resistência.

6. Aplicações de Cobre

Aplicações Elétricas e Eletrônicas

• Fiação e Cabos: O cobre é o material preferido para fiação elétrica e cabos de energia devido à sua alta condutividade. É usado em residências, comercial, e ambientes industriais.
• Placas de Circuito Impresso (PCB): O cobre é essencial para os traços condutores em circuitos eletrônicos, permitindo a miniaturização e o desempenho da eletrônica moderna.
• Conectores e Terminais: O cobre fornece conexões elétricas confiáveis ​​em vários dispositivos, de eletrônicos de consumo a máquinas industriais.

Construção e Arquitetura

• Telhados e Revestimentos: A durabilidade e o apelo estético do cobre tornam-no uma escolha popular para coberturas e revestimentos.. Pode durar mais 100 anos com manutenção mínima.
• Tubulação e encanamento: A resistência do cobre à corrosão e às bactérias torna-o ideal para sistemas de abastecimento de água. É usado em encanamentos residenciais e comerciais.
• Elementos Decorativos: O cobre é usado em detalhes arquitetônicos e design de interiores por seu apelo estético, adicionando um toque de elegância e calor aos espaços.

Aplicações Industriais

• Trocadores de calor: A alta condutividade térmica do cobre o torna ideal para trocadores de calor em sistemas HVAC e processos industriais.
  Pode transferir calor com eficiência, melhorar a eficiência energética.
• Bombas e Válvulas: A resistência à corrosão e durabilidade do cobre o tornam adequado para vários equipamentos industriais, incluindo bombas e válvulas.
• Equipamento Marítimo: A resistência do cobre à corrosão da água do mar torna-o um material preferido para cascos de barcos, hélices, e hardware marítimo.
  Ajuda a prevenir a bioincrustação e prolonga a vida útil dos componentes marinhos.

Produtos de consumo

• Panelas: A excelente distribuição de calor e apelo estético do cobre tornam-no uma escolha popular para panelas, panelas, e utensílios de cozinha.
  Garante um cozimento uniforme e adiciona uma aparência luxuosa à cozinha.
• Joia: A maleabilidade do cobre e a capacidade de formar designs complexos tornam-no um material popular para acessórios de moda..
  É frequentemente usado em combinação com outros metais para criar peças únicas e bonitas..
• Instrumentos Musicais: O cobre é usado em instrumentos de latão por suas propriedades acústicas e durabilidade. Contribui para o som rico e a longevidade dos instrumentos musicais.

7. Como escolher o cobre certo para o seu projeto

Selecionar o tipo certo de cobre para o seu projeto é essencial para garantir o desempenho ideal, durabilidade, e custo-benefício.
Aqui estão as principais considerações para orientá-lo na escolha do melhor material de cobre para suas necessidades:

Determine as principais propriedades necessárias

Diferentes tipos de cobre se destacam em vários atributos. Compreender as propriedades essenciais necessárias para o seu projeto restringirá suas opções.

• Condutividade Elétrica: Para aplicações como fiação, conectores, e sistemas elétricos,
  cobre de alta pureza (como C11000 ETP) ou cobre sem oxigênio (C10100) é ideal devido à sua excepcional condutividade.
• Resistência à corrosão: Se o seu projeto envolve exposição à umidade, produtos químicos, ou água salgada,
  considere ligas de cobre como alumínio e bronze (C95400) ou cobre-níquel (C70600) pela sua superior resistência à corrosão.
• Força e durabilidade: Para aplicações de alto estresse, como máquinas pesadas ou peças aeroespaciais,
  cobre berílio (C17200) fornece força e resistência ao desgaste, tornando-o uma escolha durável.
• Condutividade Térmica: Para trocadores de calor ou outros componentes que exigem dissipação de calor eficiente, escolha tipos de cobre de alta pureza como C11000.

Avalie as condições ambientais

O ambiente em que o material de cobre será utilizado é um fator crítico:

• Ambientes Marinhos: Ligas de cobre-níquel (C70600 e C71500) são altamente resistentes à corrosão da água do mar,
  tornando-os ideais para a construção naval, usinas de dessalinização, e equipamentos offshore.
• Aplicações de alta temperatura: Algumas ligas, como bronze de alumínio, reter a resistência em temperaturas mais altas, o que é benéfico para componentes de fornos aeroespaciais e industriais.
• Produtos Químicos Corrosivos: Para aplicações expostas a produtos químicos agressivos, bronze fosforoso (C51000) e bronze de alumínio proporcionam excelente resistência.

Considere os requisitos de fabricação

O material de cobre escolhido deve ser compatível com os processos de fabricação desejados:

• Usinabilidade: Se o seu projeto requer usinagem extensa, latão de usinagem livre (C36000) é uma excelente escolha pela sua facilidade de moldagem e processamento.
• Formabilidade: Para projetos que envolvem estampagem profunda, estampagem, ou dobrando, opte por ligas de cobre com alta ductilidade, como bronze de alumínio ou bronze fosforoso.
• Fundição ou Forjamento: Se a fundição for necessária, ligas como C93200 (bronze com chumbo) ou bronze-alumínio têm bom desempenho neste processo e oferecem maior resistência ao desgaste para aplicações pesadas.

Avalie as restrições de custo

O orçamento desempenha um papel significativo na seleção de materiais:

• Cobre de alta pureza: Embora os cobres de alta pureza (C11000, C10100) oferecem condutividade superior, eles normalmente são mais caros.
  Eles são mais utilizados em aplicações elétricas críticas onde a condutividade não pode ser comprometida.
• Ligas para eficiência de custos: Ligas de latão, como C27000, oferecem boa resistência à corrosão e resistência a um custo menor,
  tornando-os adequados para encanamento, ferragens decorativas, e componentes não críticos.

Combine com padrões específicos da indústria

Muitas indústrias têm padrões específicos para cobre e ligas de cobre para garantir confiabilidade e desempenho.
Verifique se o seu projeto precisa atender a normas específicas, como ASTM ou SAE, já que essas diretrizes geralmente recomendam graus específicos de cobre com base em requisitos específicos do setor.

Longevidade e necessidades de manutenção

Para componentes que requerem baixa manutenção e alta durabilidade:

• Resistência ao desgaste: Cobre berílio (C17200) é uma ótima escolha para peças que suportam movimentos repetitivos e estresse, como molas e conectores, devido à sua excelente resistência ao desgaste.
• Proteção contra corrosão: As ligas de cobre-níquel são frequentemente escolhidas em aplicações marítimas pela sua longevidade e manutenção reduzida sob condições adversas.

9. Conclusão

Cobre é um material versátil e essencial com uma história rica e um futuro promissor.
Sua excelente condutividade elétrica e térmica, resistência à corrosão, e maleabilidade o tornam adequado para uma ampla gama de aplicações.
Ao compreender os diferentes tipos de cobre, suas propriedades, e os processos de fabricação, você pode tomar decisões informadas para selecionar o cobre certo para o seu projeto.

Esperamos que este guia tenha fornecido informações valiosas sobre o cobre e suas aplicações.
Se você tiver alguma dúvida ou quiser compartilhar suas experiências, fique à vontade para deixar um comentário abaixo.
Fique ligado para mais conteúdo informativo sobre a fabricação DEZE.

 

Por falar nisso, se você tiver alguma necessidade de produtos de cobre personalizados, por favor sinta-se à vontade para Contate-nos.

Referências: https://internationalcopper.org/