ASPECTOS TEÓRICOS DO COMPORTAMENTO ELÉTRICO DE FIOS CONDUTORES DE COBRE TREFILADOS E RECRISTALIZADOS

ASPECTOS TEÓRICOS DO COMPORTAMENTO ELÉTRICO DE FIOS CONDUTORES DE COBRE TREFILADOS E RECRISTALIZADOS

C. S. M. Filho*, P. J. B. Marcos**

* Aluno de graduação da FATEC-SP, coordenadoria de Materiais, Processos e Componentes Eletrônicos (MPCE)

** Mestre em Engenharia de Materiais pelo Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo e professor da FATEC-SP pelas coordenadorias dos cursos de MPCE e Mecânica de Precisão - Pça. Cel. Fernando Prestes n.° 30, CEP 01124-060, São Paulo – SP – Brasil e-mail: pjbmarcos@fatecsp.br

Resumo

O cobre, tanto no seu estado puro quanto misturado a outros metais (ligas), é um material metálico amplamente empregado pela humanidade desde tempos antigos. De modo geral, os materiais metálicos são bons condutores elétricos porque apresentam elétrons livres, como consequência do seu tipo de ligação química. Devido às suas propriedades mecânicas, os metais podem ser submetidos a diversos tipos de operações de conformação, as quais aumentam a concentração de defeitos na rede cristalina e alteram o comportamento elétrico dos materiais. Através deste trabalho serão apresentados os aspectos teóricos envolvidos na produção de condutores elétricos de cobre puro através de um levantamento das características gerais dos metais, a capacidade de serem deformados plasticamente, as conseqüências sobre a condutividade elétrica o os tipos de tratamentos térmicos utilizados para a recuperação de suas microestruturas e que visam a modulação das suas propriedades finais.

Palavras-chave: Cobre, trefilação, deformação

plástica, discordâncias, condutividade.

Introdução

Os técnicos, tecnólogos e engenheiros nas suas mais diversas áreas de atuação se deparam freqüentemente com decisões que envolvem a seleção de materiais, as quais exigem que eles possuam familiaridade com as características gerais de uma ampla variedade de metais e suas ligas, bem como de outros tipos de materiais. Muitas vezes, um problema relacionado a um material consiste na escolha de combinações de características (propriedades) para uma determinadaaplicação.

Do mesmo modo, a adequação de um material para uma aplicação é controlada pela facilidade com que se produz uma forma desejada e pelo custo que está envolvido na sua produção. As técnicas de fabricação dos metais consistem nos métodos segundo os quais os metais e suas ligas são conformados mediante o processo de deformação plástica, ou seja, uma deformação permanente. Tem-se como exemplo

as técnicas de forjamento, laminação, trefilação, etc.

Durante tal processo, a deformação deve ser induzida por uma força ou tensão externa, cuja magnitude deve exceder o limite de escoamento do material. A maioria dos materiais metálicos é suscetível a esses procedimentos, sendo pelo menos moderadamente dúcteis e capazes de sofrer alguma deformação permanente sem trincar ou fraturar. Tais técnicas são precedidas por processos de refino, formação de ligas e, com freqüência, processos de tratamento térmico que produzem as ligas com as características desejadas. As técnicas selecionadas dependem de fatores como propriedades do metal, o tamanho e a forma da peça acabada e, obviamente ocusto envolvido.

Materiais Metálicos

Uma das principais características dos metais é o fato de terem um, dois ou no máximo três elétrons no seu nível energético mais externo (nível de valência). Uma outra característica inerente aos metais é a sua baixa eletronegatividade, ou seja, os elétrons ficam fracamente ligados ao átomo, podendo ser doados facilmente [1]. Quando dois átomos metálicos estão próximos entre si, os elétrons do último nível energético ficam sujeitos, simultaneamente, às forças de atração de ambos os núcleos, os quais movimentam-se facilmente de um átomo para o outro. Se houverem numerosos átomos metálicos próximos entre si, os elétrons do último nível energético de um átomo serão atraídos, pelos núcleos de todos os demais átomos. Em conseqüência surge uma “nuvem” ou “mar” de elétrons, que se movem com facilidade de um átomo para outro, sem se fixarem de modo definitivo a nenhum deles, sendo conhecidos como elétrons livres [2]. São estes elétrons livres os responsáveis pela ligação metálica.

Os metais têm grande propensão à cristalização e as células mais comumente encontradas são: CÚBICA DE CORPO CENTRADO (CCC), CÚBICA DE FACE CENTRADA (CFC) e HEXAGONAL COMPACTA (HC). A sua ocorrência nos materiais metálicos é exposta na tabela 1 e representada esquematicamente pela figura 1.

Os cristais geralmente apresentam defeitos ou imperfeições, os quais podem ser causados por

diversos fatores como a solidificação, conformação mecânica, tratamentos térmicos, etc. Os defeitos podem ser classificados em puntiformes, lineares, bidimensionais e volumétricos.

Tabela 1. Estruturas cristalinas dos principais

metais puros [3].

Estrutura Metal

CCC Ag, Al, Au, Ca, Co-β, Cu, Fe-γ, Ni CFC Cr, Fe-α, Fe-δ, Mo, Nb, Ti-β, V, W HC Be, Cd, Co-α, Mg, Ti-α, Y, Zn-α

Figura 1. Arranjos cristalinos dos materiais

metálicos [1].

Dentre todos os tipos de defeitos, os lineares (ou discordâncias), são importantes nos metais, pois são responsáveis pelo “escorregamento” dos planos atômicos, o que permite a ocorrência do processo de deformação plástica nos mesmos [3]. Nos sólidos cristalinos a deformação plástica geralmente envolve o escorregamento de planos atômicos, o movimento de discordâncias e a formação de maclas. Em uma escala microscópica a deformação plástica é o resultado do movimento dos átomos devido à tensão aplicada sobre o material. Durante este processo ligações químicas são quebradas e outras refeitas. Durante este processo o número de discordâncias aumenta drasticamente. As discordâncias movem-se mais facilmente nos planos de maior densidade atômica, chamados planos de escorregamento [4]. Neste caso, a energia necessária para mover uma discordância é mínima. Então, o número de planos nos quais pode ocorrer o escorregamento depende da estrutura cristalina, conforme a tabela 2.

Tabela 2. Quantidade de sistemas de

escorregamento de metais puros em função do tipo de estrutura cristalina [4].

Estrutura Sistemas de escorregamento

HC 6 CCC 12 CFC 24 A continuidade do processo de deformação

plástica implica que novas discordâncias são criadas como resultado da ação das forças que atuam sobre os planos atômicos. No entanto, o aumento na concentração desses defeitos faz com que surja uma resistência ao processo de deformação, visto que as discordâncias começam

a interferir no movimento umas das outras. Tal fenômeno é conhecido como encruamento e se reflete num endurecimento do material.

A deformação plástica altera a estrutura interna do metal, o que causa mudança nas suas propriedades. É interessante quantificar esta deformação para relacioná-la à mudança das propriedades do metal. Um dos métodos consiste em determinar a porcentagem da deformação realizada a frio, também conhecida como grau de encruamento. A porcentagem da deformação a frio (% DF), descrita pela equação 1 representa a intensidade de deformação resultante de uma redução na área da seção transversal durante a deformação plástica, por exemplo, como num processo de trefilação.

100

%

x

A

A

A

DF

_⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡ −

=

Onde A0 = área inicial do corpo de prova;

Af = área final do corpo de prova

Quando metais dúcteis, como o cobre, são deformados a frio ocorre um aumento da resistência à tração, devido ao endurecimento causado pelo encruamento e uma diminuição da sua ductilidade até a fratura.

Conformação plástica por trefilação

A conformação consiste no processo em que a forma do produto final é obtida pelo emprego de uma força atuante sobre o material [5].Quando a deformação é obtida a uma temperatura acima daquela na qual os átomos adquirem energia suficiente para terem suas ligações químicas refeitas (recristalização), o processo é conhecido como trabalho a quente; de outro modo, o processo é conhecido por trabalho a frio. Para a maioria das técnicas de conformação, tanto os procedimentos de trabalho a quente como de trabalho a frio são possíveis. No caso das operações de trabalho a quente são possíveis grandes deformações, as quais podem ser repetidas sucessivamente, pois o metal recristaliza entre as deformações. O esforço ou a energia utilizada nesta deformação é, portanto, menor do que a energia envolvida num processo de deformação a frio [Livro do Dieter ou Ettore Bresciani].

Contudo, nessa faixa de temperatura alguns metais experimentam oxidação na sua superfície, o que resulta em perda de material e num acabamento final da superfície deficiente. Já o trabalho a frio produz um aumento na resistência mecânica com uma conseqüente redução na ductilidade, uma vez que o metal encrua devido ao aumento da densidade de discordâncias em sua rede cristalina. As vantagens em relação ao trabalho a quente são uma melhor qualidade do acabamento superficial, aumento da resistência mecânica e limite de escoamento, bem como um

controle dimensional mais preciso da peça acabada. O ajuste desejado das propriedades pode, então, ser realizado mediante o emprego de tratamentos térmicos.

Neste contexto, muitos produtos presentes no nosso cotidiano envolvem processos de produção extremamente precisos e baseados no conhecimento das propriedades dos materiais. Um exemplo claro são os condutores elétricos, comumente feitos de cobre puro. O seu comportamento elétrico é uma função do tipo de ligação química e da microestrutura criada, a qual sofre alterações importantes durante o seu processo de fabricação.

A produção de fios metálicos é realizada normalmente através da técnica de conformação conhecida como trefilação, a qual resulta numa redução da seção de área transversal pela deformação plástica do material: a matéria-prima é estirada através de uma ou várias matrizes cônicas em forma de canal convergente (conhecido como fieira ou trefila) por meio de uma força de tração aplicada do lado de saída da matriz, conforme Figura 2.

Figura 2. Representação esquemática da

conformação por trefilação [4].

O escoamento plástico é produzido principalmente pelas forças compressivas provenientes da reação da matriz sobre o material. No caso da trefilação para obtenção de um fio de cobre, o vergalhão de cobre é passado por diversas fieiras de diâmetros decrescentes até se obter o diâmetro desejado. Durante o processo de trefilação deve se atentar às propriedades de cada tipo de material, pois o processo depende do metal ou liga a trefilar e do diâmetro final e dureza pretendida [4].

Este é o caso do cobre que, quando puro, é tão mole e dúctil que é de difícil usinabilidade mas, ao mesmo tempo, apresenta uma capacidade quase ilimitada de ser submetido à deformação plástica a frio. Já a maioria das ligas de cobre, as quais não podem ser endurecidas ou ter sua resistência mecânica melhorada através de tratamentos térmicos são tratadas por técnicas de deformação plástica a frio ou pela formação de

ligas por solução sólida para a melhoria de suas propriedades mecânicas.

Propriedades elétricas

Uma das características singulares da maioria dos metais é o fato de serem bons condutores elétricos. Nestes materiais existem elétrons livres que podem se deslocar num movimento que depende da temperatura e de outras condições físicas a que estejam sujeitos [6]. As cargas elétricas, elétrons ou “lacunas” (buracos), deslocam-se sob a forma de uma corrente elétrica. A maior ou menor dificuldade que um condutor opõe à passagem de corrente elétrica chama-se de resistência. O inverso desta propriedade é a condutividade elétrica, a qual representa uma das características mais importantes e que, inclusive, distingue os metais dos materiais não-metálicos [5]. Quando os elétrons se movimentam chocam-se com as moléculas ou os átomos do material condutor, perdendo parte da sua energia sob a forma de calor [2].

Historicamente, tal comportamento teve suas bases fundamentadas nos experimentos do físico alemão George Simon Ohm (1787-1854) que estabeleceu as bases para a circulação de corrente elétrica em materiais condutores que compõem os circuitos elétricos na forma de duas equações:

i

R

V

=

.

onde V é a diferença de potencial entre dois pontos específicos do circuito (Volts - V), R é a resistência (ohms - Ω) oferecida pelo material à passagem da corrente elétrica i (Ampéres - A), estabelecendo a chamada 1.a Lei de Ohm, e:

A

L

R

=

ρ

Onde ρ corresponde à resistividade elétrica (Ω.m) do material, L é o comprimento total (m) do condutor elétrico de seção transversal (área) A (m2) por onde flui a corrente elétrica.

A resistividade é uma característica muito específica de cada material e é fortemente influenciada pela temperatura, presença de defeitos cristalinos e impurezas presentes no material. À temperatura de 0 K e com uma rede cristalina isenta de defeitos cristalinos e impurezas, pode-se considerar a resistividade teoricamente nula, porém não é isso o que ocorre na prática. As vibrações da rede, devido à temperatura, os defeitos cristalinos e a presença de impurezas no material causam o espalhamento dos elétrons dificultando o deslocamento destes pela rede e aumentando assim a resistividade do material. A resistividade total de um metal, portanto, é a soma das contribuições de vibrações térmicas (ρT), das impurezas (ρI) e da

deformação plástica (a qual atua no sentido de criar deformações na rede cristalina e gerar defeitos nela

- ρD) que são mecanismos independentes entre si

[2]. Ela é representada pela relação de Matthiessen (Figura 3: D I T

ρ

ρ

ρ

ρ

=

+

+

Figura 3.Variação da resistividade elétrica em

função da temperatura e deformação [2].

Condutores elétricos

São chamados de condutores os materiais que permitem a passagem de cargas elétricas através deles. Os materiais condutores, por exemplo, os metais, possuem elétrons que não estão firmemente presos a seus núcleos e portanto deslocam-se pelos condutores. Normalmente, isso ocorre ao acaso, mas, quando há uma diferença de potencial elétrico entre uma e outra extremidade do condutor, os elétrons são atraídos pela extremidade positiva, criando um fluxoou corrente. Quando os elétrons se movem ordenadamente, há corrente elétrica [2]. Exemplos de bons condutores são: ferro, cobre, prata, algumas formas do carbono, como o grafite e o carvão, qualquer substância que contenha água, soluções de ácidos e sais. O cobre é amplamente usado na forma de fios e cabos elétricos em função de suas propriedades elétricas, térmicas, mecânicas e por ser relativamente abundante e barato de produzir dentre os metais.

No Brasil, os condutores elétricos são regidos pela norma ABNT–NBR–5471/1986. Os cabos elétricos de potência em baixa tensão são os responsáveis pela transmissão de energia em circuitos de até 1000 V. Um condutor elétrico pode ser constituído por uma quantidade variável de fios, desde um único fio, Figura 3, até centenas deles. Essa quantidade de fios determina a flexibilidade do cabo. Quanto mais fios, mais flexível o condutor e vice-versa [7].

Para identificar corretamente o grau de flexibilidade de um condutor, é definida pelas normas técnicas da ABNT a chamada classe de

encordoamento. De acordo com essa classificação apresentada pela NBR NM 280, são estabelecidas seis classes de encordoamento, numeradas de 1 a 6, Tabela 3.

Figura 4. Representação esquemática de um

condutor isolado: 1 – Cobre, 2 – encapamento isolante (PVC) [7].

Tabela 3. Classes de encordoamento de condutores

elétricos conforme a NBR NM 280 [7]. C e D C lasse de ncordamento escrição aracterísticas 1 C s é u e a ondutores ólidos (fios) estabelecida ma resistência létrica máxima 20ºC em w/km 2 c e c n é u e d w n d c ondutores ncordoados, ompactados ou ão estabelecida ma resistência létrica máxima e 20ºC em /km e um úmero mínimo e fios no ondutor 4 c f é u e d w m e c , 5 e 6 ondutores lexíveis estabelecida ma resistência létrica máxima e 20ºC em /km e diâmetro áximo dos fios lementares do ondutor

Os diferentes encordamentos podem ser vistos, com detalhe na Figura 5.

(1) (2) (3)

Figura 5. Condutores elétricos: (1) condutor

sólido, fio, é um produto maciço, composto por um único elemento condutor; (2) condutor encordoado tem relação com a construção de uma corda, ou seja, partindo-se de uma série de fios elementares,

eles são reunidos (torcidos) entre si, formando então o condutor; (3)condutor flexível é obtido a partir do encordoamento de um grande número de

A norma NBR NM 280 estabelece valores de resistência elétrica máxima, número mínimo e diâmetro máximo dos fios que compõem um dado condutor. Isso, na prática, resulta que diferentes fabricantes possuem diferentes construções de condutores para uma mesma seção nominal. A garantia de que o valor da resistência elétrica máxima não seja ultrapassada está diretamente relacionada à qualidade e à pureza do cobre utilizado na confecção do condutor.

Além do material usado, os condutores elétricos são caracterizados pela sua seção transversal (bitola) que é o diâmetro do fio sem o seu isolamento polimérico. Quanto maior for a bitola do fio, menor será a resistência apresentada por ele à passagem de sinais elétricos. Mas fios mais grossos apresentam problemas de flexibilidade e são mais difíceis de serem manobrados. Desta forma o condutor tem que ter uma seção que seja suficiente para a passagem de sinal e que não dificulte a sua instalação.

Tratamentos térmicos

Como foi apontado anteriormente, os fios de materiais condutores, como o cobre, são conformados através da técnica de trefilação, a qual implica numa deformação plástica intensa do material, provocando a redução da sua área transversal. Durante este processo ocorre o endurecimento (encruamento) do material devido ao acúmulo dos defeitos denominados de discordâncias.

Se os metais deformados plasticamente forem submetidos a um tratamento térmico adequado, ocorrerá um rearranjo dos cristais deformados plasticamente, diminuindo a dureza dos mesmos devido a uma série de processos difusionais. Os tratamentos térmicos podem ser definidos como operações de aquecimento e resfriamento subseqüente, dentro de condições controladas de temperatura, velocidade de aquecimento e resfriamento, e ambiente [2]. Através destas operações é possível eliminar quase que integralmente os efeitos da deformação plástica sobre a estrutura do material. Os grãos (cristais) são praticamente reconstruídos a ponto de se eliminarem regiões deformadas.

Um dos tratamentos térmicos mais simples e empregados para tal finalidade é conhecido como recozimento para recristalização. Neste, a transformação decorrente do tratamento térmico nos materiais encruados ocorre em três estágios distintos: (i) recuperação, (ii) recristalização e (iii) crescimento de grão. Na recuperação ocorre o alívio das tensões internas armazenadas durante a deformação devido ao movimento das discordâncias resultante da difusão atômica. Nesta etapa há uma redução do número de discordâncias e um rearranjo das mesmas.

Propriedades físicas como condutividade térmica e elétrica voltam ao seu estado original, correspondente ao material não-deformado.

Após a recuperação, os grãos ainda estão tensionados. Neste instante atua o estágio de recristalização, onde os grãos tornam-se novamente equiaxiais (dimensões iguais em todas as direções) onde , a partir dos contornos de grãos, formam-se novos cristais por processos difusionais. O número de discordâncias reduz mais ainda. As propriedades mecânicas voltam ao seu estado original [4-6].

Depois da recristalização, caso o material permaneça por mais tempo em temperaturas elevadas, os grãos continuarão a crescer, visto que a manutenção da temperatura promove a difusão atômica. Em geral, quanto maior o tamanho de grão mais mole é o material e menor é sua resistência [3]. Desta forma, é possível modular a microestrutura e as propriedades resultantes.

Conclusão

Os metais ao sofrerem um processo de conformação, como por exemplo, a trefilação, têm as suas propriedades alteradas devido à deformação dos cristais que o compõem. No caso específico de fios condutores de cobre a deformação plástica provocada pelo processo de conformação exerce uma intensa modificação nas propriedades elétricas. Um fio condutor vendido comercialmente deve ser submetido a tratamento térmico de recozimento para recristalizar as regiões do material anteriormente deformadas, pois o metal no estado encruado apresenta uma resistência elétrica maior que no estado não-encruado. Conforme a regra de Matthiessen a resistividade elétrica total de um material é dada em função da temperatura, das impurezas presentes e da deformação mecânica. O metal deformado plasticamente apresenta uma grande quantidade de discordâncias em sua rede cristalina, as quais constituem barreiras para o fluxo de corrente elétrica que atravessa o material.

Portanto, um fio condutor deve apresentar a menor quantidade possível de defeitos para garantir que a corrente elétrica que flui através do mesmo sofra a menor resistência possível. Sugere-se em trabalhos posteriores, uma análise das características elétricas de fios de cobre em diversos estados de deformação para se verificar a eficiência do tratamento térmico de recristalização em recuperar as características dos materiais deformados.

Agradecimentos

À FATEC-SP, à coordenadoria de MPCE, e aos professores MSc. Tatsuo Sakima e Manoel Mendes.

Bibliografia

[1] Russel, J. B., Química Geral – Volume 1, Ligações Químicas, p. 341-407, 1994.

[2] Callister Jr., W. D., Ciência e Engenharia de Materiais: Uma introdução – 5.a Ed., Livros Técnicos e Científicos Editora S. A., Rio de Janeiro, p. 12-18, 2002.

[3] Padilha, A. F, Materiais de engenharia: microestrutura e propriedades, Editora Hemus, São Paulo, p. 145-180, 1992.

[4] Smith, W. F., Princípios de ciência e engenharia dos materiais – 3.a Ed., Editora McGraw-Hill, Portugal, p. 278-294, 1998.

[5] Chiaverini, V., Tecnologia mecânica – Volume 1, Editora McGraw-Hill, São Paulo, 1979.

[6] Van Vlack, L. H., Pincípios de Ciência e Tecnologia dos Materiais, Editora Campus, p. 54-67, 1989.

[7] IPCE - Fios e Cabos Elétricos Ltda. Introdução aos fios e cabos. Disponível em:

http://www.ipce.com.br/introducao_grd.htm acesso