Cobre e suas Ligas
César Luiz Canata Júnior, UFPR
I. HISTÓRIA DO COBRE
O cobre foi o primeiro metal usado pelo homem. Acredita-se que por volta de 13.000 a.C. foi encontrado na superfície da Terra em forma de "cobre nativo", o metal puro em seu estado metálico. Usado inicialmente como substituto da pedra como ferramenta de trabalho, armas e objeto de decoração, o cobre tornou-se, pela sua resistência, uma descoberta fundamental na história da evolução humana.
Os historiadores concordam que as primeiras descobertas importantes do cobre deram-se na área compreendida entre os rios Tigre e Eufrates, ao Norte do Golfo Pérsico. Nesta área, considerada como o lugar da primeira civilização do mundo, foram encontrados objetos de cobre de mais de 6.500 anos. Os Romanos designaram o cobre com o nome de "Aes Cyprium", o Metal de Cyprus, já que a Ilha de Cyprus ( Chipre ) foi uma das primeiras fontes do metal. Com o tempo, o nome se transformou em Cyprium e depois em Cuprum, originando o símbolo químico "Cu".
Através dos séculos, o cobre foi identificado pelo símbolo, que é uma forma modificada do antigo hieróglifo usado pêlos antigos egípcios para representar a vida eterna. O fato de se ter encontrado objetos de cobre tão antigos em diversos lugares do mundo é prova das propriedades únicas do metal: durabilidade, resistência à corrosão, maleabilidade, ductilidade e fácil manejo.
Apesar de sua antiguidade, o Cobre manteve, aliado aos metais mais novos, um papel predominante na evolução da humanidade, sendo utilizado em todas as fases das revoluções tecnológicas pelas quais o ser humano já passou. As minas de cobre mais importantes do mundo estão localizadas no Chile, Estados Unidos, Canadá, Rússia e Zâmbia.
Em 1874, foi descoberta a mina Caraíba, no sertão da Bahia. Somente após 70 anos é que foram iniciados os trabalhos de prospecção. Em 1969, 25 anos mais tarde, o empresariado brasileiro, sob a liderança do Grupo Pignatari, estabeleceu uma planta de metalurgia em Dias D'Ávila, Bahia, para a produção de cobre eletrolítico. No início da década de 80, a Caraíba começou a produzir cobre eletrolítico e, no final da década, em 1988, ocorreu o desmembramento entre a mina e a planta de metalurgia, com a privatização desta última, que adotou o nome de Caraíba Metais.
II. O CICLO INDUSTRIAL DO COBRE
As minas de cobre são classificadas de acordo com o sistema de exploração: Minas à Céu Aberto são aquelas cujo mineral se encontra próximo da superfície e Minas
Subterrâneas, aquelas em que o mineral se encontra em profundidade, necessitando de explosivos para sua extração.
Da mina sai o minério contendo de 1% a 2% de cobre. Depois de extraído, britado e moído, o minério passa por células de flotação que separam a sua parte rica em cobre do material inerte e converte-se num concentrado, cujo teor médio de cobre é de 30%. Este concentrado é fundido em um forno onde ocorre a oxidação do ferro e do enxofre, chegando-se a um produto intermediário chamado matte, com 60% de cobre. O matte líquido passa por um conversor e, através de um processo de oxidação ( insufla oxigênio para a purificação do metal ), é transformado em cobre blister, com 98,5% de cobre, que contém ainda impurezas como resíduos de enxofre, ferro e metais preciosos. O cobre blister, ainda no estado líquido, passa por processo de refino e, ao seu final, é moldado, chegando ao ânodo com 99,5% de cobre.
Após resfriados, os ânodos são colocados em células de eletrólise. São então intercalados por finas chapas de cobre eletrolítico, denominadas chapas de partida. Aplicando-se uma corrente elétrica, o cobre se separa do ânodo e viaja através do eletrólito até depositar-se nas placas iniciadoras, constituindo-se o catodo de cobre, com pureza superior a 99,99%.
Este cátodo é moldado em suas diferentes formas comerciais para, posteriormente, ser processado e transformado em fios, barras e perfis, chapas, tiras, tubos e outras aplicações da indústria.
Figura 2. Ciclo de obtenção do cobre Normalmente, o produto final originário dos produtores de cobre (mineiros), são os catodos refinados e os vergalhões de cobre, cuja produção é vendida quase que
inteiramente para a indústria de transformação do cobre. Já esta indústria, processa o catodo ou o vergalhão e, através de processos de laminação, extrusão, forjagem, fundição e metalurgia do pó, obtém uma larga variedade de produtos tais como fios e cabos elétricos, chapas, tiras, tubos e barras que são usados principalmente na indústria da construção civil, eletro-eletrônica, automobilística e outras.
Os minerais de cobre podem dividir-se em três grupos distintos. Os minerais primários, que estão depositados a grande profundidade e têm origem ígnea, de que são exemplo a bornite (Cu5FeS4) , calcopirite (CuFeS2), enargite (Cu3As5S4) e outros. O segundo grupo é composto por minerais de cobre oxidado resultantes da erosão de sulfuretos de cobre. Neste grupo destacam-se os minerais cuprite (Cu2O), malaquite (CuCO3.Cu(OH)2), azurite (2CuCO3.Cu(OH)2) e crisocola (CuSiO3.2H2O). O terceiro grupo é constituído por minerais resultantes da erosão de sulfuretos de cobre, tais como a calcocite (Cu2S) e a covelite (CuS).
Os minerais com maior interesse comercial são a calcocite (Cu2S), que possui 79,8 % de cobre, e a calcopirite (CuFeS2) com 34,5 %. Minerais como enargite ou outros sulfuretos podem viabilizar a exploração que usualmente se faz em mina aberta. A minagem em profundidade é menos comum, na extracção de cobre, devido aos seus elevados encargos.
A seguir, temos um fluxograma geral do ciclo de extração e industrialização do cobre e uma tabela com os principais minerais:
TABELA I
PRINCIPAIS MINERAIS PARA OBTENÇÃO DO COBRE
III. PROPRIEDADES BÁSICAS
O cobre é um elemento metálico com número atômico 29 e peso atômico de 63,57. O seu símbolo químico é Cu, e suas valências são +1 e +2. Não é magnético e pode ser utilizado puro ou em ligas com outros metais que lhe conferem excelentes propriedades químicas e físicas.
• Densidade: 8,96 g / cm3 ( 20°C )
• Ponto de fusão: 1083ºC
• Ponto de ebulição: 2595°C
• Coeficiente de dilatação térmica linear: 16,5 x 10 -6 cm/cm/°C ( 20°C)
• Resistividade elétrica: 1,673 x 10 -6 ohm.cm (20°C)
• Pressão de vapor: 101 mm Hg à 20°C
• Condutividade elétrica: 101 % IACS à 20 °C
• Calor latente de fusão: 50,6 cal/g
• Calor específico: 0,0912 cal/g/°C (20°C)
• Forma cristalina: Cúbica de faces centradas
IV. O COBRE E SUAS LIGAS
O cobre é normalmente usado em sua forma pura, mas também pode ser combinado com outros metais para produzir uma enorme variedade de ligas. Cada elemento adicionado ao cobre permite obter ligas com diferentes características tais como: maior dureza, resistência a corrosão, resistência mecânica, usinabilidade ou até para obter uma cor especial para combinar com certas aplicações. Veja o gráfico abaixo que relaciona as ligas do cobre.
Figura 1. Relação das ligas de cobre
A. Cobre e Zinco
Esta combinação pertence ao grupo dos latões e o conteúdo de zinco varia de 5% a 45%. Esta liga é utilizada em moedas, medalhas, bijuterias, radiadores de automóvel, ferragens, cartuchos, diversos componentes estampados e conformados etc.
B. Cobre e Estanho
A combinação destes metais forma o grupo dos bronzes e o conteúdo de estanho pode chegar a 20%. É utilizado em tubos flexíveis, torneiras, varetas de soldagem, válvulas, buchas, engrenagens etc.
Esta liga normalmente contém mais de 10% de alumínio. É utilizada em peças para embarcações, trocadores de calor, evaporadores, soluções ácidas ou salinas etc. D. Cobre e Níquel
Esta liga é conhecida como cuproníquel e o conteúdo de níquel pode variar de 10% a 30%. É utilizada em cultivos marinhos, moedas, bijuterias, armações de lentes etc. As ligas que normalmente contém entre 45% a 70% de cobre, e de 10% a 18% de níquel, sendo o restante constituído por zinco, recebem o nome de alpacas. Por sua coloração, estas ligas são facilmente confundidas com a prata. São utilizadas em chaves, equipamentos de telecomunicações, decoração, relojoaria, componentes de aparelhos óticos e fotográficos etc.
E. Cobre e Ouro
O ouro 18 quilates: mistura de 75% de ouro e 25% de cobre (a quantidade de ouro na liga é indicada em quilates: o ouro puro é o ouro 24 quilates, portanto, quanto mais baixo for o número de quilates, menor será a quantidade de ouro).
V. PRINCIPAIS ATRIBUTOS DO COBRE NA CONDUÇÃO DE ENERGIA
O cobre é o mais eficiente, resistente e confiável metal para ser utilizado em condutores elétricos. Veja o porquê:
A . O Cobre é o Padrão de Condutibilidade
Em 1913, a Comissão Internacional de Eletrotécnica adotou a condutibilidade do cobre como padrão, definindo-a como sendo 100% para cobre recozido (IACS). Isto significa que o cobre proporciona uma maior capacidade de conduzir corrente elétrica para um mesmo diâmetro de fio ou cabo do que qualquer outro metal de engenharia usualmente empregado como condutor elétrico.
Cabos elétricos de cobre requerem menor isolação e eletrodutos de menor diâmetro quando comparados com cabos de alumínio. O alumínio possui menor condutibilidade elétrica, necessitando, portanto, de cabos de maior diâmetro quando comparados com o cobre para conduzir a mesma corrente. Este é o motivo pelo qual num dado eletroduto é possível instalar uma maior quantidade de fios ou cabos de cobre comparados com o alumínio. Além disso, o cobre também proporciona uma condutividade térmica superior (60% superior ao alumínio), o que leva a uma economia de energia e facilita a dissipação de calor. B. O Cobre é Compatível com Conectores e Outros Dispositivos
Resistência mecânica, flexibilidade e resistência à corrosão tornam o cobre ideal para ligações a conectores, realização de soldas etc.
C. O Cobre Possui Resistência e Ductilidade
Esta única combinação faz do cobre o metal ideal para condutores. Normalmente quanto mais resistente é um metal, menos flexibilidade ele terá. Isto não ocorre com o cobre. Assim você terá as vantagens de durabilidade e ductilidade quando especificar o cobre como material condutor.
D. O Cobre é Fácil de Instalar
A resistência, dureza e flexibilidade do condutor de cobre assegura ao mesmo tempo facilidade de manuseio e instalação, reduzindo assim os custos de mão de obra associados. Quando você puxa um condutor de cobre através de um eletroduto, ele resiste ao estiramento e não quebra.
Podemos dobrá-lo ou torcê-lo, e ele ainda resiste à quebra.
E. O Cobre Resiste á Corrosão
O cobre puro (>99,9% de cobre), usado em condutores elétricos, é um metal nobre que quando em contato com outros metais (ferro, aço etc.) não está sujeito à corrosão galvânica. Os fios de cobre também resistem à corrosão por umidade, poluição industrial e outras influências atmosféricas que possam causar danos ao sistema.
F. O Cobre Atende ás Especificações
Anos de confiabilidade e performance fazem do cobre o padrão para o uso em condutores elétricos, atendendo a todas às especificações praticadas nos mais diferentes países. G. O Cobre é Econômico
Numa primeira avaliação, o condutor de alumínio é algumas vezes mais barato que o condutor de cobre, mas economia não é medida somente pelo custo inicial de aquisição. O custo ao longo do tempo, que inclui ferramentas extras de instalação, procedimentos, materiais, serviços, reparos e potencial para expansão do sistema, deve ser também avaliado. Estes custos normalmente são esquecidos numa primeira avaliação. Então considere todas as questões envolvidas e você descobrirá que o cobre é o condutor mais econômico. Com fios e cabos de cobre você obtém:
• capacidade de corrente superior com menos seções.
• fácil instalação, não necessita de conectores especiais, ferramentas, procedimentos etc.
• maior quantidade de fios por eletroduto.
• elevada resistência ao estiramento, ao creep, à corrosão, à quebra e à diminuição de seção do condutor.
• ausência de manutenção.
• extra proteção contra possíveis problemas durante a operação do sistema.
VI. RECICLAGEM
A . Introdução
Durante milhares de anos, o cobre e suas ligas foram reciclados. Isto tem sido uma prática econômica normal. Dizia-se que uma as maravilhas do mundo, o Colosso de Rhodes, uma estátua que se estendia ao longo da entrada do porto de Rhodes, era feita de cobre. Não restou nenhum vestígio do monumento, uma vez que ele foi reciclado para a confecção de outros objetos.
Na Idade Média, após o término da guerra era comum a fusão de canhões de bronze para a manufatura de objetos mais úteis, e, em tempos de combate, até os sinos das igrejas eram utilizados na manufatura de canhões
.Toda a indústria do cobre e de suas ligas depende da reciclagem econômica de sucata e refugos. Existe uma linha extensa de produtos à base de cobre que se destina a uma grande variedade de aplicações.
B. Sucata de Cobre
O uso comercial habitual para o cobre puro se refere a aplicações mais delicadas, tais como a produção de fios destinados aaplicações elétricas. É essencial que a pureza seja mantida para garantir a alta condutividade, capacidade de recozimento consistente e que não haja quebras durante a produção do vergalhão e subseqüente manufatura do fio. As superfícies não podem ter falhas, conseqüentemente, o fio de cobre deve ter uma qualidade de superfície excelente. Cobre primário da melhor qualidade é utilizado na produção do vergalhão para essa finalidade.
A sucata obtida em processos de reciclagem não-contaminados e outros tipos de sucata que foram recuperadas eletroliticamente também podem ser utilizadas.
Além do uso na eletricidade, o cobre também é utilizado para fabricar uma grande quantidade de tubos, chapas para cobertura de telhado, trocadores de calor etc.
Nesses casos, não é necessário um alto grau de condutibilidade elétrica e os outros requisitos de qualidade não são tão onerosos. O cobre secundário pode ser utilizado na produção desses materiais, embora dentro de um limite estipulado para impurezas. Cobre de boa qualidade e com alta condutibilidade pode ser reciclado pela simples fusão e inspeção antes da fundição,seja para o formato final ou para fabricação posterior. Entretanto, esse processo só é válido para sucatas obtidas em ambientes de manuseio exclusivo de cobre. Quando o cobre se contaminar e for necessário o seu novo refino, normalmente será necessário derretê-lo e fundí-lo no formato de anodo para que seja purificado eletroliticamente.
Se, no entanto, o nível de impurezas no anodo for significativo, é pouco provável que o catodo produzido vá atender aos altos padrões exigidos para o cobre 'A', utilizado na fabricação de fios e cabos elétricos.
C. Sucata de Latão
A reciclagem da sucata de latão é essencial para a indústria. O latão para extrusão e
estampagem a quente é normalmente obtido a partir da fusão de sucata com composição similar e corrigido pela adição de
cobre virgem ou zinco, conforme o caso, para atender às especificações antes de vertê-lo.
A presença de outros materiais no latão, como o chumbo,é freqüentemente necessária para melhorar a sua usinagem,de forma que esses elementos são em geral aceitáveis.
A sucata de latão, originada nas operações de usinagem, pode ser fundida economicamente mas deve ser isenta de excesso de lubrificantes, especialmente daqueles que contêm compostos orgânicos que causam fumaça, inaceitável durante o processo de fusão. Quando o latão é fundido de novo, existe normalmente alguma evaporação do zinco mais volátil. Isso é compensado no líquido para corrigir a especificação.
O latão que será manufaturado no formato de chapas e tiras deve ser consideravelmente livre de impurezas a fim de manter a ductibilidade quando resfriado. Ele pode ser enrolado, repuxado, estampado, rebitado ou sofrer qualquer outra forma de moldagem a frio. É normal, portanto, fabricá-lo a partir do cobre virgem ou zinco, preponderantemente em conjunto com sucata processada a partir de um método limpo, cuidadosamente triado e identificado.
D. Sucata de Bronze
Ligas de cobre como bronzes fosforosos, bronzes duros, bronzes com chumbo e bronzes com alumínio são normalmente elaboradas segundo padrões rígidos, a fim de garantir a qualidade para aplicações específicas. Elas são feitas a partir de lingotes de composição garantida em conjunto com sucata de composição idêntica, obtida em processo de separação criteriosa. Nos casos em que a sucata for misturada ou tiver composição indefinida, ela é primeiramente dissolvida por um fabricante de lingotes e analisada a fim de que a composição seja corrigida para os padrões da liga.
Quando o cobre e sucatas de ligas de cobre estiverem muito contaminados e impróprios para a simples fusão, eles podem ser reciclados por outros meios para a recuperação do cobre, seja como metal ou para obtenção dos vários compostos essenciais para aplicações industriais e na agricultura.
E. Considerações Ambientais
O cobre é um micro elemento essencial, necessário ao desenvolvimento saudável da maioria das plantas, animais e seres humanos.
Outros metais associados às ligas de cobre não são encontrados geralmente em estados considerados perigosos. No entanto, quando ocorrer geração de fumaça, por exemplo no derretimento ou soldagem, pode ser necessária a utilização de equipamentos de extração de fumaça.
O berílio é utilizado, algumas vezes, como o elemento para se fazer uma das ligas mais resistentes que se conhece, de valor inestimável na produção de molas para usos pesados. Quando em liga com cobre e em estado sólido, ele não apresenta risco à saúde. No entanto, quando presente na atmosfera, o berílio pode ocasionar males à saúde e deve ser controlado.
F. Valor do produto
Um produto de alta qualidade pode ser obtido se a sucata for de cobre puro e não estiver contaminada por nada indesejável. Da mesma forma, se a sucata for proveniente de somente uma formulação de liga, é mais fácil derretê-la e obter um produto de boa qualidade, embora possa haver necessidade de alguma correção na composição durante a fusão.
Neste processo, se a sucata for misturada, contaminada ou tiver outros elementos, como solda, será mais difícil ajustar a composição para dentro dos limites especificados. Nos casos em que o chumbo ou estanho estiverem presentes, normalmente será possível corrigir a composição com a adição de mais chumbo ou estanho para fazer bronze com chumbo. No caso de sucatas contaminadas com elementos indesejáveis, estes podem ser diluídos durante a fusão, de forma que o nível de impurezas fique dentro das especificações. Todas essas técnicas preservam bastante o valor da sucata.
VII . REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Site da Internet:
[1] Procobre – Instituto Brasileiro do Cobre – www.procobrebrasil.org
