Pra nós, basta olhar pra um objeto e dizer que ele possui Ferro ou Alumínio, por exemplo. Mas isto vai muito além destes simples materiais.
Assim como plásticos e borrachas, a indústria química desenvolveu várias combinações de materiais, criando vários tipos de ligas metálicas diferentes, que se encaixam nas mais diversas aplicações.
Mas para sabermos definir a qualidade de um produto, precisamos conhecer as combinações destes materiais, as qualidades e defeitos que cada um possui e a vantagem e desvantagem de utiliza-los.
Outra coisa fácil de se ver na população leiga e até entre profissionais desses ramos é que muitos não conhecem de fato o produto que estão utilizando (ou pelo menos insistem em utilizar termos errôneos).
Nesta série de artigos, com a concatenação de informações selecionadas em vários sites, escritas por vários autores, trago a explicação resumida sobre as ligas metálicas não-ferrosas mais comuns e exemplos de utilização na indústria química, automobilística, eletrônica e diversas outras, porém, com enfoque na eletrônica e mecânica.
As ligas metálicas não-ferrosas são aquelas em que o Ferro não é o elemento principal, e em muitos casos nem é adicionado ao material.
Dentre as ligas não-ferrosas mais comuns estão aquelas onde o Cobre, o Alumínio e o Níquel são os elementos base, e outros, como por exemplo o Estanho, Zinco, Cromo, Manganês, Magnésio, Silício e o Ferro estão presentes em quantidades menores, alterando características mecânicas, térmicas, eletrônicas e magnéticas do material.
Neste artigo, serão apresentados mais dois elementos-base para a criação de ligas não-ferrosas:
Cobre
Imagem 1 - Posição do Cobre na Tabela Periódica
O Cobre é um metal, encontra-se no estado sólido em condições normais de temperatura e pressão, possui brilho metálico e coloração avermelhada (cor-castanha), isso devido a impurezas e óxidos.
É dúctil e maleável, reciclável, e oxida quando em contato com água e / ou Oxigênio. No entanto, é resistente à altas temperaturas e um excelente condutor de eletricidade e calor.
O Cobre é refinado com base em minerais como:
-> Calcopirite (CuFeS2);
-> Cuprita (Cu2O);
-> Calcocita (Cu2S);
-> Enargita (Cu3As5S4);
-> Covelita (CuS);
-> Bornita (Cu5FeS4);
-> Tetraedrita ((Cu, Fe) 12Sb4S13).
Esses minerais são obtidos de reservas do Chile, Estados Unidos, Canadá, Rússia e Zâmbia (minas economicamente mais importantes).
As ligas de Cobre estão entre as mais utilizadas na indústria, sendo que uma das principais aplicações é na elétrica e eletrônica. Ao longo deste trecho você verá sistemas de classificação para compostos de Cobre, bem como suas ligas mais conhecidas e mais utilizadas.
Se o Alumínio possui sete grupos diferentes, com as ligas de Cobre a forma como a classificamos muda bastante.
Observe a tabela abaixo, que classifica o Cobre e suas ligas de forma mais simples, dividindo-as em "trabalhadas" e "fundidas":
Tabela 1 - O Cobre e suas ligas
A classificação UNS significa "Sistema Numérico Unificado" e é um tanto quanto genérica, pois só define os compostos 'principais'.
Na sequência, teremos a descrição de alguns tipos de ligas de Cobre muito comuns no mercado.
Cobre Eletrolítico
É o Cobre puro, normalmente macio e dúctil e contém menos de 0,7% de impurezas. As classificações de Cobre comercialmente puras são designadas pelos códigos UNS entre C10xxx até C15xxx e entre C80xxx até C81xxx.
O Cobre Eletrolítico "tough pitch" é feito a partir do refino eletrolítico, com o C11000 tendo-se como o mais comum de todos as classificações.
Complemento 1 - Como é obtido o Cobre Eletrolítico
Tem elevada condutividade elétrica (em excesso de 100% IACS) e térmica (por ser demasiado puro, obviamente). Tem o teor de Oxigênio igual a C12500, mas difere em teor de Enxofre e em sobre toda a pureza. C11000 tem menos do que 50 ppm no total de impurezas metálicas, incluindo Enxofre.
CURIOSIDADE: IACS significa "International Annealed Copper Standard". Essa unidade de medida é frequêntemente usada na Grã-Bretanha e nos Estados Unidos. O seguinte se aplica: A condutividade elétrica específica de 100% IACS corresponde a 58 MS/m (MegaSiemens por metro).
Um bom exemplo de uso do Cobre C11000 é na confecção blocos dissipadores de coolers de computador. Desde aqueles simples coolers box, que podem conter um grande 'pino' de Cobre no centro do dissipador, até os coolers mais parrudos, com heatpipes de Cobre conduzindo calor. Veja o desenho técnico de um cooler box da Intel:
Diagrama 1 - Perceba que neste desenho o material é descrito simplesmente como "CU1100"
Veja outro desenho técnico, só que desta vez um cooler mais grande, também para linha Intel:
Diagrama 2 - Perceba que acima da linha circulada em amarelo há a "Heat Column CU1100"
Veja abaixo a imagem de dois blocos dissipadores utilizados nos velhos coolers box da plataforma Intel PGA478:
Imagem 3 - Pino central em Cobre CU11000, fazendo a interface condutora de calor entre o heatspreader da CPU e o bloco dissipador de Alumínio
OBSERVAÇÃO: Perceba na imagem acima que há manchas escurecidas ("amarronzadas") sobre a superfície avermelhada de Cobre. A oxidação deste material será abordada na sequência deste texto.
CURIOSIDADE: Muitos heatpipes de coolers mais parrudos podem ser feitos de Cobre CU11000, porém diferente do 'pino' mostrado anteriormente, os heatpipes não são maciços, mas sim preenchidos com um gás refrigerante sob determinada pressão, funcionando de forma análoga a um ar condicionado, isto é, vaporizando quando a temperatura sobre (região em contato direto com o heatspreader da CPU) e migrando até a região mais fria (onde há o bloco de Alumínio dissipando calor).
Um outro fator que deve ser lembrado aqui é que o Cobre sofre com oxidação, e, posteriormente, a corrosão, ainda mais se tratando do material substancialmente puro. Você verá no tópico sobre as ligas de latão mais detalhes sobre oxidação deste material.
Tendo uma excelente capacidade de conduzir calor (superior a do Alumínio, que é melhor dissipando e não conduzindo), o Cobre é utilizado até mesmo nos heatspreaders de processadores, isto é, a capinha metálica que há por cima do die, como mostra o desenho técnico abaixo:
Folder 1 - Detalhes sobre a composição dos encapsulamentos de chips Intel
Sofrendo com corrosão, a indústria resolveu fazer fazer um processo de galvanização de Níquel sob a superfície do Cobre (o Nickel Plated Cooper descrito no Folder 1), mesmo a condutividade térmica do Níquel sendo inferior. A corrosão do Cobre se agrava em sistema de câmara de vapor (os heatpipes descritos anteriormente), pois eles utilizam um composto refrigerante, geralmente com base em metanol e água.
Mesmo o Níquel tendo condutividade térmica inferior a do Cobre, ele ainda é o metal com a melhor relação resistência à corrosão versus condutividade térmica. Portanto, os dissipadores de calor são niquelados precisamente para protegê-los da oxidação e corrosão, para que possam durar muito mais tempo em boas condições, mantendo suas capacidades térmicas intactas para drenar e dissipar o calor.
CURIOSIDADE: A diferença de desempenho entre ser banhado a Níquel ou não é insignificante ou praticamente insignificante. O segredo para isso está no processo pelo qual o Níquel é fixado ao Cobre e Alumínio do dissipador de calor, chamado galvanização.
O que é feito aplicar corrente elétrica à peça de metal e, em seguida, ela é imersa em um banho de sais de metal (entre os compostos estão o Sulfato de Níquel, Cloreto de Níquel e Ácido Bórico) em uma temperatura entre 40°C e 65°C. Ali ocorre um processo de ionização. Para saber mais sobre ionização e entender este processo, CLIQUE AQUI!
Em resumo, o ânodo (polo negativo), feito de Níquel (com nível de pureza acima de 99%), é consumido e seus átomos são depositados na superfície de Cobre ou Alumínio. Este processo também pode ser chamado de galvanização à frio.
O truque desse processo é que a camada de Níquel depositada no metal do dissipador de calor é tão extremamente fina que é praticamente reduzida no nível atômico (isto é, possui poucos átomos de espessura), de modo que, embora tenha baixa condutividade térmica, na realidade dificilmente afetará a performance geral do dissipador.
O Cobre reage muito lentamente com o Oxigênio na atmosfera, criando uma fina camada de Óxido de Cobre marrom-preto, passando para uma cor esverdeada ou azul-esverdeada (Carbonato de Cobre) quando se degrada, já atingindo um nível mais alto de corrosão. Veja abaixo a oxidação do Cobre em seu estado inicial, tendo a cor puxada pro marrom:
Imagem 4 - Cobre em início de oxidação
CURIOSIDADE: Quando o Óxido de Cobre 'evolui' para Carbonato de Cobre, atingindo a cor esverdeada, chamamos popularmente de "zinabre". O zinabre é comum em terminais e conexões elétricas de Cobre puro exposto ou latão exposto, e sobre isso você verá no próximo tópico, sobre ligas Cobre-Zinco.
No caso de exposição direta com água, se forma até bastante Carbonato de Cobre, e o componente de Cobre (um fio, por exemplo) fica com uma coloração bem escura.
Outra utilidade para o Cobre substancialmente puro é em pinos / contatos de CPUs, bem como contatos de módulos de memória RAM e placas de vídeo, por exemplo. Aqui, ligas de latão não são utilizadas, pois deve-se haver a maior condutividade elétrica possível, só atingida com o material puro.
A oxidação e corrosão do Cobre nestas aplicações de microeletrônica também se faz presente, tornando-se necessário outro processo de galvanização mais 'precioso', digamos assim: É a galvanização com Ouro!
Imagem 5 - Processador AMD para soquete PGA AM3. Perceba os pinos dourados deste processador. Eles são feitos de Cobre banhados em Ouro
Assim como no processo de niquelagem, cada pino de uma plataforma do tipo PGA (Pin Grid Array - Grade de pinos na CPU e contatos no soquete) possui uma fina película de Ouro com poucos átomos de espessura. Nos soquetes do tipo LGA (Land Grid Array - Grade de contatos na CPU e pinos no soquete) o processador possui apenas contatos de Cobre banhados em Ouro, como mostra o Folder 1.
OBSERVAÇÃO: Lembre-se que o melhor condutor de eletricidade existente é a Prata, seguida pelo Cobre, com o Ouro ficando em terceiro lugar. Da mesma forma que o Níquel tem condutividade térmica muito inferior à do Cobre e mesmo assim a fina película aplicada não interfere de forma significativa na condução de calor, o Ouro tem condutividade elétrica inferior à do Cobre e a fina película aplicada não interfere de forma significativa na condução de eletricidade.
CURIOSIDADE: Em Slots de expansão mais 'baratos', pode ser utilizado o Bronze fosforado, que possui uma maior resistência a corrosão, porém, condutividade inferior à do Cobre puro. Combinado ao Bronze, uma dupla camada de galvanização a frio de Estanho sobre Níquel ou Ouro sobre Níquel, por exemplo.
CURIOSIDADE: Em propagandas de placas-mãe de alto desempenho, o fabricante pode, por questão de marketing, expor até mesmo a espessura da película de Ouro nos contatos dos slots de memória RAM, como é possível ver no Folder abaixo:
Folder 2 - São 15 microns de espessura de Ouro nos contatos dos Slots de memória
Agora, mais um Folder, desta vez da X570 Taichi, que expõe 15 microns de Ouro também no slot PCIe x16 principal:
Folder 3 - AsRock X570 Taichi para plataforma AMD Ryzen
Pegando como exemplo a mesma placa do Folder 2, podemos dar mais um exemplo de uso do Cobre puro: as trilhas das placas de circuito. Tais trilhas não são galvanizadas, isto pois a placa sempre recebe uma pintura com verniz (também chamada de máscara de solda, pois os contatos onde vão soldados os componentes ficam expostos, obviamente), que a protege de agentes externos oxidantes (umidade, principalmente), fornece um isolamento elétrico (poeira e outros tipos de partículas podem causar curto-circuitos) e dá sua cor característica.
CURIOSIDADE: Fugindo um bocado do assunto, por muito tempo as PCBs tinham faces verdes. Com a evolução da tecnologia e design, elas passaram a admitir as cores vermelho, amarelo, azul, roxa, e até mesmo rosa ou branco. Se diversificou tanto, que nas placas-mãe de PCs atuais, por exemplo, as cores populares do momento são as escuras (tons de cinza ou preto, as vezes intercalado com branco ou vermelho). Veja abaixo a imagem de uma Sapphire XPress 3200 "Pure", uma das placas mais lindas no meu gosto pessoal:
Imagem 6 - Placa-mãe Sapphire XPress 3200 "Pure", para os famosos Athlon 64 e 64 FX
Voltando ao principal, as PCBs atuais são multi-camadas, algo essencial para comportar uma grande quantidade de componentes e interligações num espaço pequeno. Uma simples placa com 1 mm de espessura pode ter dois, quatro, seis, até dez camadas de folhas feitas em FR4 com suas trilhas de Cobre. É aí que entra a curiosidade: qual a quantidade de Cobre existente numa placa de circuito?
Responder isso pode ser um bocado complicado, já que existem milhões de PCBs com tamanhos variados e para fins diversos, todavia, nas placas-mãe de PC há alguns fabricantes que divulgam o valor aproximado (aquela questão do marketing)! Isso é raro, mas veja só:
Folder 4 - Isso mesmo: Duas onças em Cobre!
CURIOSIDADE: Onça (simbolizada por "Oz") é uma unidade de massa anglo-saxónica pertencente ao sistema avoirdupois (ou Imperial, que está em paralelo ao Sistema Internacional de Unidades) e é equivalente a 28,3495 gramas.
Abaixo, parte da apresentação da AsRock X399 Taichi, para AMD Threadripper:
Folder 5 - A AsRock x399 Taichi possui PCB de 8 camadas de FR4 com 8 onças em Cobre
CURIOSIDADE: Para saber mais sobre as placas de ciruito, sejam elas de Fenolite, PP-TD, Poliimida ou FR4, CLIQUE AQUI!
Em componentes eletrônicos mais comuns, tipos o PTH (Pin Through Hole) e alguns SMD (Small Mounting Device), os terminais podem ser feitos em Cobre puro galvanizado com Estanho, para que se evite a oxidação e ao mesmo tempo se melhore o processo de soldagem na PCB. Observe a imagem abaixo:
Imagem 7 - Um regulador de tensão (esquerda), um diodo (centro) e um resistor (direita)
Quando não são feitos de Cobre puro, pode ser utilizado uma liga de Zinco ou de Ferro, por exemplo.
Outro uso para o Cobre eletrolítico é na fabricação de radiadores para motores de combustão interna. Tubos de Cobre por onde passa a água sob altas temperaturas montados junto com aletas feitas de mesmo material, formando uma colmeia, da mesma forma como são construídos os radiadores de Alumínio. As caixas laterais podem ser feitas de latão e a solda com Estanho-Chumbo, por exemplo.
As classificações de Cobres diluídos (94% até 96% de pureza) contém pequenas quantidades de elementos de liga que modifica um ou mais propriedades, sendo classificadas por códigos UNS de C16xxx até C19xxx e de C81xxx até C82xxx.
Ligas de Latão
O Latão é uma mistura que contempla principalmente Cobre e Zinco, sendo este último presente em quantidades que variam de 3% a 45% em massa. Outros materiais podem ser encontrados em quantidades muito pequenas, como por exemplo Alumínio, Arsênio, Estanho e Chumbo.
CURIOSIDADE: Este tipo de liga metálica (mais especificamente a C21xxx até a C28xxx), é padronizado pela norma internacional ASTM B36. Perceba então que todas as ligas de Cobre são classificadas de forma 'resumida' pela UNS e cada uma delas também possui seus padrões internacionais definidos pela ASTM, AISI, JIS, EN e SAE, por exemplo.
OBSERVAÇÃO: Quase todos os equipamentos eletrônicos e elétricos atuais enquadram-se na norma internacional RoHs, que diz respeito sobre a ausência de elementos químicos altamente tóxicos e cancerígenos, como é o caso do Chumbo.
O Latão possui um ponto de fusão relativamente baixo e pode ser fundido facilmente em pequenos fornos especializados. Este ponto de fusão não é fixo, pois depende da quantidade e da proporção dos metais que forem utilizados na sua composição. No geral, o ponto de fusão do latão situa-se entre 900 °C e 940 °C.
Por estas características, este material pode ser forjado, fundido, laminado e estirado a frio de maneira mais fácil do que os próprios metais que o compõem.
Esta liga apresenta densidade maior que a dos aços, porém menor que as ligas de Cobre, sendo de aproximadamente 8600 kg/m³. Tem uma cor que passa pelo amarelo (sendo então semelhante à do Ouro) e chaga em cores alaranjadas e avermelhadas, dependendo de sua composição. O latão também é consideravelmente resistente a manchas. As utilizações do latão são vastas e compreendem uma série de segmentos industriais.
As ligas de Latão se dividem em grupos de acordo com os outros elementos em combinação. Veja:
→ Latão de Almirantado: Contém 30% de Zinco, bem como 1% de Estanho para inibir a dezincificação em alguns ambientes. O restante é Cobre. Está dentro da classificação UNS C40xxx até C49xxx, no entanto, atente-se que várias ligas que englobam esta faixa de códigos pode possuir também uma pequena porcentagem de Chumbo, com mais detalhes explicados nos tópicos seguintes.
Nesta classe também pode ser incluído o Latão Naval (Cu60%, zn39% e Sn1%).
→ Latão-Alfa: Tem menos de 35% de Zinco. É maleável, pode ser trabalhado a frio, e por isso são utilizados em operações como prensagem e forjamento. São ligas monofásicas, de estrutura CFC (cúbica de faces centradas) e podem ser classificados entre C20xxx e C28xxx;
→ Latão Alfa-Beta (Metal Muntz): Também chamado de "Latão Duplex", possui de 35 a 45% de zinco e é ideal para ser trabalhado a quente e têm excelente usinabilidade. Contém ambas as fases α e β'. A fase β' tem estrutura CCC (Cúbica de Corpo Centrado) e é mais dura e resistente do que α.
Os latões com teores de Zinco mais elevados são bifásicos (contêm fases alfa e beta). Estes latões bifásicos apresentam transformações de fase mais complexas, que dão origem a uma maior variedade de microestruturas e, consequentemente, de propriedades.
CURIOSIDADE: A fase Beta é conhecida como um composto intermetálico com estequiometria aproximada de CuZn, ou seja, proporção entre os números de átomos de Cobre e de Zinco é em torno de 50% cada, ao contrário da fase alfa, que possui estrutura CFC na qual parte dos átomos de Cobre é substituída por átomos de Zinco. Entretanto, a faixa de variação da composição da fase beta depende da temperatura, com sua estrutura CCC tornando-se desordenada acima de 470 ºC, onde átomos de Zinco e Cobre ocupam posições aleatórias devido à vibração dos átomos associada à energia térmica. Em baixa temperatura essa vibração não existe e o consequente ordenamento leva à formação da chamada "fase beta-linha". Essa fase ordenada reduz a ductilidade do latão bifásico a temperaturas abaixo de 470 ºC (é isso que faz ele ser mais ductil em temperaturas altas). Por este motivo os latões bifásicos são indicados para extrusão (a quente), porém não são recomendados para laminação a frio.
→ Latão ao Chumbo: Estes latões são ligas nas quais o Chumbo é adicionado com o propósito principal de aumentar a usinabilidade. O Chumbo não se combina com o Cobre, nem com o Zinco, nem com qualquer elemento de liga secundário (tipo o Estanho) e está presente nessas ligas sobre a forma de partículas (glóbulos) que se distribuem aleatoriamente na microestrutura do latão. Essas partículas de Pb lubrificam a ferramenta de corte durante a usinagem e ao promoverem uma fragilização localizada, favorecem a retirada do cavaco.
Nos latões com Chumbo, em geral, o teor de Zinco é superior a 35%, fazendo com que, do ponto de vista microestrutural, estas ligas sejam bifásicas (alfa e beta) nas quais, adicionalmente, as partículas de Pb se distribuem. Entretanto, estas mesmas partículas causam problemas quanto à deformação plástica. Por este motivo, os latões com Chumbo são mais empregados para a fabricação de parafusos e peças usinadas a partir de barras e perfis extrudados, e não são usados para processos de deformação plástica considerável a frio. O teor de Chumbo varia entre 0,3 e 3,5 % para os chamados "latões de corte fácil".
Latões ao Chumbo podem ser classificados entre C31xxx e C38xxx, bem como entre C83xxx e C85xxx, havendo também muitos compostos que incluem o Estanho, cuja utilidade é igual a dos latões de Almirantado.
CURIOSIDADE: Uma alternativa ao uso do Chumbo para melhorar a usinabilidade dos latões é o uso do Selênio e do Telúrio, que não prejudicam tanto as propriedades de deformação plástica do latão, mas por outro lado são elementos mais caros e de menor disponibilidade. Além dos latões bifásicos, algumas outras ligas de Cobre como o latão monofásico, a Alpaca (Cu-Zn-Ni) e o Cobre em si podem conter consideráveis teores de Chumbo, mas seu uso não é tão difundido quanto o do latão bifásico com Chumbo.
→ Latão Beta, com 45 a 50% de Zinco, só pode ser trabalhado a quente. É mais duro, resistente e tem maior fusibilidade;
→ Latão comum (ou latão de rebite): Possui entre 36% e 37% de Zinco. É mais barato e geralmente trabalhado a frio. Esta liga já pode apresentar uma pequena quantidade de fase beta, mas não pode ser usada em ambientes corrosivos. Suporta condições de conformação mecânica relativamente severas, sendo utilizada para fabricação de peças por estampagem não profunda, como por exemplo terminais de chaves elétricas, rebites, pinos e parafusos;
→ Liga de Aich: Tipicamente contém 60 a 66% de Cobre, 36 a 58% de Zinco, 1,02% de Estanho e 1,74% de Ferro. Foram projetados para uso em atmosfera marinha devido a sua resistência a corrosão, dureza e tenacidade. Uma aplicação característica é a proteção de costados de navios, embora métodos mais modernos de proteção catódica tornaram seu uso menos comum. Possui uma cor semelhante à do Ouro;
→ Latão de príncipe Rupert: É um tipo de Latão-Alfa contendo 75% de Cobre e 25% de Zinco. Devido a sua bela cor amarela característica, é utilizado para imitar Ouro em bijuterias. A liga é assim chamada por causa do príncipe Ruperto do Reno;
→ Latão Aluminado: Contém Alumínio, o que aumenta sua resistência à corrosão. É usado para serviço em atmosferas marinhas e também em moedas de Euro, a unidade monetária da União Europeia (também conhecido como "Ouro Nórdico");
→ Latão DZR / Latão Arsênico: Ambos contém uma pequena porcentagem de Arsênio em substituição ao Estanho, sendo que o segundo pode contar também com um pequeno valor de Alumínio em muitos casos;
→ Latão para Cartuchos: é um Latão com 30% de Zinco, possuindo boas propriedades para trabalho a frio. Utilizado para cartuchos de munição de armas de fogo.
O LATÃO NA ELETRÔNICA
O latão é uma liga comumente encontrada em terminais elétricos de soquetes de lâmpadas domésticas, terminais de conectores diversos e até em parafusos, arruelas e polcas para aplicações gerais. Só que seu uso não se resume em apenas isto...
Em algumas aplicações pode se encontrar uma liga de latão estanhada através do processo de galvanização. Isto é notável em terminais elétricos com aparência 'cromada' (galvanizado com Estanho), onde a cor avermelhada ou amarelada do latão não é notável. Isto é um meio suplementar de proteção contra oxidação, já comentado anteriormente. Aqui podemos complementar o tópico anterior, sobre oxidação...
O Cobre ou então as ligas metálicas que contêm Cobre, como o latão ou o bronze, quando expostas ao ar úmido contendo gás carbônico, lentamente se oxidam, ficando inicialmente com manchas marrom-preto (Óxido de Cobre) e depois cobertas por uma pátina de cor azul-esverdeada (o já mencionado Carbonato de Cobre). Esta oxidação aumenta a resistência elétrica (ohms) em conexões elétricas, sendo bastante comum no sistema elétrico de automóveis. Sendo assim, o zinabre causa falhas no carregamento de baterias, aquecimento dos cabos, falhas no funcionamento de sistemas eletrônicos e problemas na hora da partida.
No caso dos terminais de uma bateria automotiva, principalmente no inverno, o zinabre resulta de um outro elemento além do Oxigênio da atmosfera: o ácido sulfúrico.
Imagem 8 - Zinabre em terminais e conexões elétricas de latão
Neste ponto, cobrir um terminal de latão com Estanho através de galvanização não comprometerá de forma significativa as propriedades elétricas, pelo contrário, vai evitar ainda mais a oxidação e manter o funcionamento do circuito estável por longos anos.
CURIOSIDADE: Cabos de vela de motores de combustão interna geralmente são dotados de terminais confeccionados em latão. A porcentagem de Cobre e Zinco, bem como aditivos e galvanização pode variar de projeto para projeto, marca para marca. Para saber mais sobre cabos de vela e seus terminais, CLIQUE AQUI!
Veja abaixo uma tabela que faz parte do catálogo da MTA Automotive, uma das maiores fabricantes de fusíveis, relés, caixas fuse&relay e terminais elétricos para o setor automotivo:
Folder 6 - Terminais elétricos para baterias feitos em Latão (Brass) galvanizado com Estanho (Sn)
Agora, outra tabela da MTA listando modelos de terminais de CuZn (latão também) galvanizados com Estanho:
Folder 7 - Terminais em latão banhados em Estanho
CURIOSIDADE: Perceba na Tabela 2 que existem três modelos de terminais desenhados e que apenas o modelo 'um' possui versões destinadas a serem aplicadas como polo positivo (+). Perceba também que há diferenças na secção transversal de fio / cabo suportada por cada versão de cada modelo. Some isso à diferentes porcentagens de Cobre e Zinco de cada versão e terá terminais com condutividade elétrica diferentes, sendo uns com aplicação ideal para polo negativo (-) e outros para o positivo. O conector para o polo positivo também é um pouco maior, impedindo uma inversão de polaridade ao instalar uma bateria.
CURIOSIDADE: Os parafusos de fixação dos terminais também podem ser feitos de latão exposto ou então latão galvanizado com Zinco ou Estanho, tudo depende do projeto. Há também modelos que usam parafusos de liga de aço galvanizado com Estanho ou Cobre. Na próxima tabela, desenhos técnicos de terminais com parafusos que podem ser zincados ou estanhados:
Folder 8 - Terminais em latão exposto (sem galvanização) e parafusos galvanizados
CURIOSIDADE: Já que citamos as falhas ocasionadas pelo formação de zinabre, podemos aprofundar um pouco mais o assunto...
Se você leu o artigo sobre Fusíveis, termofusível, fusistores e PPTCs, é citado com uma imagem o envelhecimento do elo fusível causado por pulsos de alta corrente que originam oscilações de temperatura. Pois bem, podemos dizer que essas oscilações térmicas num conector elétrico também podem vir da resistência elétrica aumentada causada por oxidação da liga metálica. Como bem sabemos, um mal contato elétrico pode gerar faíscas, mal funcionamento ou danos em outros componentes do circuito e até mesmo incêndios.
Há um tempo atrás me deparei com uma situação um tanto peculiar: Um automóvel com alguma dificuldade na partida, tanto a frio quanto com o motor quente, além de problemas com aterramento elétrico. Antes de pensar o pior, fui ver aquilo que estava mais acessível. Me deparei com uma bateria com vários anos de uso e subdimensionada, fora das especificações originais. Além do mais, os bornes estavam cobertos de zinabre. O borne positivo já havia sido substituído, enquanto o negativo ainda era original de fábrica.
Ao substituir a bateria por outra - dessa vez dentro das especificações -, o borne negativo, com o parafuso muito oxidado, recusa-se a se soltar e o conector simplesmente quebra-se ao meio. Ao olhar as regiões onde ocorreu a ruptura, pude notar alterações na coloração da liga de Latão galvanizada com Estanho:
Imagem 9 - Note o envelhecimento da liga e a quantidade de oxidação. Fotos capturadas por mim com uma lente macro
Ao montar um conector novo no polo negativo da nova bateria, optei por passar graxa de Cobre nele e em outros terminais de aterramentos elétricos da carroceria, que também já apresentavam oxidação.
Para saber mais sobre o envelhecimento de ligas metálicas, você pode CLICAR AQUI!
CURIOSIDADE: A graxa de Cobre, que pode ser encontrada tanto em spray quanto em pasta é aplicada na montagem de componentes elétricos para retardar oxidação, além de ser utilizada em roscas de parafusos para facilitar uma futura desmontagem, afinal ligas de aço e ferro fundido também oxidam, ainda mais quando expostas ao tempo.
Segundo a Implastec, a tal graxa de Cobre é uma solução composta por oléo mineral de base parafínica com Cobre coloidal, isto é, uma solução líquida contendo Cobre eletrolítico. Além disso, estas graxas possuem espessantes e outros aditivos (não especificados pelo fabricante). Quando se tratam de sprays, ao invés de espessantes há o propelente.
Ligas Cuproníquel
Estas tem uma utilidade relativamente alta na produção de fios resistivos, já que o Cobre é um bom condutor, mas pode ter sua resistência elétrica elevada com a adição do Níquel, que não possui características elétricas tão boas. Muitas dessas ligas possuem alguma porcentagem de Ferro, tanto que na Tabela 1 esta liga é definida como "Cu-Ni-Fe", sendo classificada no UNS por códigos que vão do CU70xxx até o CU79xxx (incluindo a Alpaca - Cu-Ni-Zn) e do CU962xx até o CU968xx.
Para saber mais sobre fios resistivos que utilizam liga Cu-Ni, CLIQUE AQUI!
Ligas de Bronze
As ligas de Bronze são compostas por Cobre e Estanho, havendo também aditivos para melhorar propriedades físicas, térmicas e elétricas, igual ocorre com o latão ou então com as ligas de Alumínio.
Um dos maiores usos das ligas de Bronze é na confecção de bronzinas para mancais de eixos. A bronzina, também conhecido como "casquilho", apesar de ser o sistema de mancal mais simples e antigo, não perde em nada para os sistemas modernos com rolamentos de esferas ou roletes e ainda tem grande utilidade em motores de combustão interna, por exemplo. Veja abaixo a imagem e bronzinas de vira-brequim para motores de combustão interna:
Imagem 10 - Casquilhos de vira-brequim
Uma bronzina é a construção mais simples de mancal, compreendendo apenas uma superfície de rolamento e nenhum elemento rolante. Portanto, o munhão (ou seja, a parte do eixo em contato com a bronzina) desliza sobre a superfície da bronzina. Este tipo de rolamento consiste em:
-> Uma lâmina (também chamada de capa) de Aço que serve como base. Em geral é Aço baixo-Carbono;
-> Uma camada de deslizamento, esta sim feita com ligas de Bronze ou Alumínio;
-> Uma camada de revestimento eletrodepositada (Galvanização a frio) ou através de deposição catódica (pulverização catódica ou sputtering), ou então a simples aplicação de resina polimérica;
Observe o Folder abaixo:
Folder 9 - Estrutura metálica dos casquilhos
Como se pode ver, existe uma "camada intermédia" feita com liga de Níquel entre o material da bronzina e a camada de deslizamento (recobrimento) em alguns projetos para servir de barreira de difusão. No caso das bronzinas bi-metálicas pode haver uma camada intermédia feita em liga de Alumínio. Mesmo a camada de deslizamento sendo em liga polimérica, ela apresenta uma determinada quantidade de Alumínio, por exemplo.
CURIOSIDADE: Num motor de combustão interna, para poder absorver adicionalmente as forças axiais, que decorrem por exemplo do acionamento da embreagem, são montadas arruelas de encosto (também chamadas de bronzinas compostas ou bronzinas de encosto) que servem de rolamentos de carga axial.
Abaixo, alguns tipos de ligas de Bronze utilizadas na fabricação de bronzinas:
-> Ligas de Bronze: CuSn4Bi; CuSn4Bi4Ni; CuSn10Zn3Bi7,5; CuSn8Ni; CuSn8Bi4Ni; CuPb20Sn2Ni4; CuPb23Sn2; CuPb21Sn2; CuPb20Sn2; CuPb25Sn3; CuPb22Sn3; CuPb14Sn3; CuPb15Sn5Zn6 e CuAl8.
-> Ligas de Alumínio: AlSn10CuSi4; AlSn15Cu2; AlSn15Cu2; AlSn10Si3CuCr; AlSn6Si1.5Cu; AlSn12Si2,5Cu; AlSn20Cu2; AlZn5Bi4Si1,5Cu1Mg; AlZn5Pb4SiCu; AlZn5Cu1,4Si1,3PbMg-6; AlCu2Sn16; AlCuSn6,3NiSi2,3; AlPb6Si4Sn; AlPb7Si4Cu e AlSiMg6Mn6.
-> Revestimentos superficiais: PbSn10Cu5, PbSn13Cu9, PbSn11+Al2O3, PbSn10In14+Al2O3, SnAg10, Sn, AlSn30Cu, AlSn40Cu, Tin Flash, AlSn20Cu, AlSn25Cu2,5, PAI+Al+PTFE.
CURIOSIDADE: O composto "PAI+Al+PTFE significa "PoliAmidaImida + Alumínio + PoliTetraFluorEtileno". O uso de PTFE se dá por seu coeficiente de atrito muito bom e resistência a altas temperaturas.
CURIOSIDADE: Apesar da bronzina ter um nome que remete ao Bronze, atualmente, com a evolução da ciência e tecnologia dos materiais (CTM) existem ligas com base no Alumínio, Estanho ou Chumbo que são tão boas quanto ou até superiores as ligas de Bronze para aplicação em sistemas de rolamento.
CURIOSIDADE: Em sistemas de armazenagem e transporte de cargas inflamáveis, o Bronze pode estar presente em manípulos, polcas, arruelas, no geral em componentes que deslizem ou esfreguem sobre outro, sendo necessário para evitar a geração de faíscas conduzindo e dissipando a energia estática gerada por atrito.
Apesar da durabilidade que o Estanho pode oferecer, o Cobre conta com mais um elemento importante para garantir rigidez, resistência mecânica e redução da oxidação: o Fósforo. A partir disso, dá-se origem ao que conhecemos como Bronze Fosforoso, ou "Bronze Fosforado", que na classificação UNS vai de C501xx até C524xx e, quando com Chumbo, de C532xx até C548xx.
O Fósforo é um elemento químico com alto potencial de oxidação que pertencente à família dos não metais. Em sua união com o Estanho e o Cobre é capaz de oferecer grandes vantagens para a fabricação de materiais.
O Fósforo, que torna o Bronze mais resistente ao desgaste e mais endurecido, é o elemento menos abundante nesta composição, podendo chegar a no máximo 1% em relação às outras matérias-primas.
O Bronze Fosforoso é muito utilizado por sua excelente usinabilidade e soldabilidade. Além disso, outro diferencial é sua resistência à corrosão e capacidade de conduzir eletricidade. A densidade desta matéria-prima varia, mas em média, fica em torno de 8,75 g/cm³.
Em geral, ele é utilizado na mecãnica para fazer as já mencionadas bronzinas, além de coroas e guias deslizantes, por exemplo. Na eletrônica seu uso mais comum é em terminais elétricos de slots e conectores, onde encontra-se galvanizado com combinações Estanho sobre Níquel, Ouro sobre Níquel ou Ouro sobre Estanho.
Para ter uma noção maior do uso de tais materiais, recomendo a leitura de um artigo do HC sobre eletrônica e hardware de PC: O que você acha deste linkado abaixo?
Este é só um 'pequeno' resumo do uso de tais materiais pela indústria mecânica e elétrica / eletrônica. Apesar de existirem vários padrões internacionais, como por exemplo o ASTM - que é um dos mais comuns -, são milhares as ligas não-ferrosas com base em Cobre e Zinco, e aqui só foram apresentadas algumas delas, juntamente com um 'punhado' de exemplos de uso no nosso cotidiano, mas que já servem pra embasar a magnitude e complexidade da CTM nessa área.
Se você achou alguma inconsistência ao longo do texto, ficou com alguma dúvida ou possui mais informações para acrescentar neste artigo, não deixe de entrar em contato com o HC!
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FONTES e CRÉDITOS:
Texto: Leonardo Ritter.
Imagens: Leonardo Ritter; Google Imagens
Diagramas e Folders: Intel Corporation; MTA Automotive.
Fontes: Infomet; astm.org; metalhaga; documentos técnicos da Intel; Itigic Potugal; motorservice.com; Wikipedia (somente artigos com Fontes Verificadas!).
Última atualização: 30 de Julho de 2023.