Latão vs. Cobre: Compreendendo as diferenças e aplicações

Latão vs. Cobre: Compreendendo as diferenças e aplicações

Cobre

O latão é um cobre puro industrial. Devido à sua cor rosa avermelhada e ao fato de sua superfície ficar roxa após a formação de uma película de óxido, é geralmente denominado latão ou cobre vermelho.

É uma liga de cobre que contém uma certa quantidade de oxigênio, também conhecida como oxi-cobre, e às vezes pode ser considerada uma liga de cobre.

O cobre vermelho possui excelente condutividade elétrica e térmica e é extremamente maleável. É fácil de ser processado por pressão quente ou fria, sendo amplamente utilizado na fabricação de produtos que requerem boa condutividade elétrica, como fios, cabos, escovas elétricas e cobre especial de eletroerosão para faísca elétrica.

O cobre tem a segunda maior condutividade elétrica e condutividade térmica, depois da prata, e é amplamente utilizado na produção de materiais condutores e condutores de calor.

O cobre tem boa resistência à corrosão na atmosfera, água do mar, certos ácidos não oxidantes (ácido clorídrico, ácido sulfúrico diluído), álcalis, soluções salinas e uma variedade de ácidos orgânicos (ácido acético, ácido cítrico), e é usado na indústria química .

Além disso, o cobre tem boa soldabilidade e pode ser transformado em vários produtos semiacabados e produtos acabados por meio de processamento de plasticidade a frio ou a quente.

Na década de 1970, a produção de cobre excedeu a produção total de outros tipos de ligas de cobre.

Classificação da Natureza

O cobre tem esse nome devido à sua cor vermelho-púrpura. Não é necessariamente cobre puro e, às vezes, uma pequena quantidade de elemento desoxidante ou outros elementos são adicionados para melhorar o material e o desempenho, por isso também é classificado como uma liga de cobre.

Os materiais de cobre podem ser divididos em quatro categorias com base em sua composição: cobre comum (T1, T2, T3), cobre livre de oxigênio (TU1, TU2 e cobre livre de oxigênio a vácuo de alta pureza), cobre desoxidado (TUP, TUMn ) e cobre especial com uma pequena quantidade de elementos de liga adicionados (cobre arsênico, cobre telúrio, cobre prateado).

O cobre tem a segunda maior condutividade elétrica e condutividade térmica, depois da prata, e é amplamente utilizado na produção de materiais condutores e condutores de calor.

O cobre tem boa resistência à corrosão na atmosfera, água do mar, certos ácidos não oxidantes (ácido clorídrico, ácido sulfúrico diluído), álcalis, soluções salinas e uma variedade de ácidos orgânicos (ácido acético, ácido cítrico).

As ligas de cobre comuns são classificadas em três categorias: latão, bronze e cobre branco.

Desempenho de cobre

Classificação de propriedades:

O cobre é um tipo de cobre relativamente puro e geralmente pode ser considerado como cobre puro com boa condutividade elétrica e ductilidade, mas menor resistência e dureza. O cobre roxo tem excelente condutividade térmica, ductilidade e resistência à corrosão.

Traços de impurezas no cobre roxo têm um sério impacto na condutividade elétrica e na condutividade térmica do cobre.

Titânio, fósforo, ferro, silício e outros elementos podem reduzir significativamente a condutividade elétrica, enquanto cádmio, zinco e outros elementos têm pouco efeito.

Enxofre, selênio, telúrio e outros elementos têm uma pequena solubilidade sólida em cobre e podem formar compostos frágeis com o cobre, o que tem pouco efeito na condutividade elétrica, mas pode reduzir a plasticidade do processamento.

O cobre roxo tem boa resistência à corrosão na atmosfera, água do mar, certos ácidos não oxidantes (ácido clorídrico, ácido sulfúrico diluído), álcalis, soluções salinas e uma variedade de ácidos orgânicos (ácido acético, ácido cítrico) e é usado no indústria química.

Além disso, o cobre roxo tem boa soldabilidade e pode ser transformado em vários produtos semiacabados e produtos acabados por meio de processamento de plasticidade a frio ou a quente.

Na década de 1970, a produção de cobre roxo excedeu a produção total de outros tipos de ligas de cobre.

Propriedades físicas:

Traços de impurezas no cobre roxo têm um sério impacto na condutividade elétrica e na condutividade térmica do cobre.

Titânio, fósforo, ferro, silício e outros elementos podem reduzir significativamente a condutividade elétrica, enquanto cádmio, zinco e outros elementos têm pouco efeito.

Oxigênio, enxofre, selênio, telúrio e outros elementos têm uma pequena solubilidade sólida em cobre e podem formar compostos frágeis com o cobre, o que tem pouco efeito na condutividade elétrica, mas pode reduzir a plasticidade do processamento.

Quando o cobre roxo comum é aquecido em uma atmosfera redutora contendo hidrogênio ou monóxido de carbono, o hidrogênio ou monóxido de carbono reage facilmente com o óxido de cobre (Cu2O) no limite do grão para produzir vapor de água em alta pressão ou gás dióxido de carbono, que pode causar a ruptura do cobre.

Este fenômeno é comumente conhecido como “doença do hidrogênio” do cobre.

O oxigênio é prejudicial à soldabilidade do cobre. O bismuto ou o chumbo formam eutéticos de baixo ponto de fusão com o cobre, causando fragilidade do cobre a quente; enquanto o bismuto quebradiço forma uma distribuição semelhante a um filme na fronteira do grão, causando fragilidade ao frio do cobre.

O fósforo pode reduzir significativamente a condutividade elétrica do cobre, mas pode melhorar a fluidez do líquido de cobre e as propriedades de soldagem. Quantidades adequadas de chumbo, telúrio, enxofre e outros elementos podem melhorar a usinabilidade.

A resistência à tração das placas de cobre roxo recozidas à temperatura ambiente é de 22-25 kgf/mm2o alongamento é de 45-50% e a dureza Brinell (HB) é de 35-45.

O coeficiente de condutividade térmica do cobre puro é 386,4 W/(m·K).

Formulários

O cobre é amplamente utilizado em mais aplicações do que o ferro puro. 50% do cobre é purificado eletroliticamente em cobre puro para uso na indústria elétrica.

O cobre aqui utilizado deve ser muito puro, com teor de cobre superior a 99,95%, e uma quantidade muito pequena de impurezas, principalmente fósforo, arsênico, alumínio e outros, que podem reduzir significativamente a condutividade elétrica do cobre.

É usado principalmente para fabricar equipamentos elétricos, como geradores, ônibus, cabos, interruptores, transformadores, bem como equipamentos de transferência de calor, como trocadores de calor para tubulações, dispositivos de aquecimento solar, coletores de placas planas e outros materiais condutores de calor.

O oxigênio do cobre (facilmente misturado com uma pequena quantidade de oxigênio durante o refino do cobre) tem um grande impacto na condutividade elétrica.

O cobre usado na indústria elétrica geralmente deve ser cobre isento de oxigênio. Além disso, impurezas como chumbo, antimônio e bismuto impedirão a cristalização do cobre de se unir, causando fragilidade a quente e afetando o processamento do cobre puro.

Este cobre de alta pureza é geralmente refinado por eletrólise: o cobre impuro (ou seja, cobre bruto) é usado como ânodo e o cobre puro é usado como cátodo, com solução de sulfato de cobre como eletrólito.

Quando a corrente passa, o cobre impuro no ânodo derrete gradualmente e o cobre puro precipita no cátodo. O cobre assim refinado pode ter uma pureza de até 99,99%.

O cobre roxo também é usado na produção de anéis de curto-circuito para motores, aquecedores por indução, componentes eletrônicos de alta potência, terminais de fiação e outros componentes.

O cobre roxo também é usado em móveis e decorações como portas, janelas e corrimãos.

Latão

O latão é uma liga composta de cobre e zinco. Se for composto apenas de cobre e zinco, é chamado de latão comum.

Se for composto por mais de dois elementos, é denominado latão especial, como ligas de cobre compostas por chumbo, estanho, manganês, níquel, chumbo, ferro e silício.

O latão tem forte resistência ao desgaste. O latão especial, também conhecido como latão de liga especial, possui alta resistência, grande dureza, forte resistência à corrosão química e excelentes propriedades mecânicas para processamento de corte.

Os tubos de cobre sem costura feitos de latão têm textura macia e forte resistência ao desgaste e podem ser usados ​​em trocadores de calor, condensadores, tubulações de baixa temperatura, tubos de transporte submarino e na fabricação de chapas, barras, hastes, tubos e peças fundidas, etc.

O teor de cobre no latão varia de 62% a 68% e possui forte plasticidade, tornando-o adequado para a fabricação de equipamentos resistentes à pressão.

O latão pode ser classificado em duas categorias: latão comum e latão especial, com base no tipo de elementos de liga nele presentes. O latão usado para processamento de pressão é chamado de latão de deformação.

1. Latão Comum

(1) Microestrutura à temperatura ambiente de latão comum

O latão comum é uma liga binária de cobre e zinco, e seu teor de zinco varia muito, resultando em uma diferença significativa em sua microestrutura à temperatura ambiente.

De acordo com o diagrama de fases binárias Cu-Zn (Figura 6), a microestrutura do latão à temperatura ambiente pode ser dividida em três tipos: latão com teor de zinco abaixo de 35%, que consiste em uma solução sólida α monofásica à temperatura ambiente e é chamado α-latão; latão com teor de zinco variando de 36% a 46%, que consiste em uma microestrutura bifásica (α+β) à temperatura ambiente e é denominado latão (α+β) (latão bifásico); latão com teor de zinco superior a 46% a 50%, que consiste apenas em microestrutura da fase β à temperatura ambiente e é denominado latão β.

(2) Propriedades de processamento de pressão

O latão α monofásico (de H96 a H65) tem boa ductilidade e pode suportar trabalho a frio e a quente. No entanto, o latão α monofásico é propenso à fragilidade em média temperatura durante o trabalho a quente, como forjamento, e a faixa de temperatura específica varia com o teor de zinco, geralmente entre 200 ℃ e 700 ℃.

Portanto, a temperatura durante o trabalho a quente deve estar acima de 700°C. A principal razão para a fragilidade em média temperatura na região da fase α do sistema de liga Cu-Zn é que existem dois compostos ordenados, Cu3Zn e Cu9Zn, na região da fase α da liga, que sofrem transformação ordenada durante meados. -aquecimento a baixa temperatura, fazendo com que a liga se torne quebradiça.

Além disso, impurezas prejudiciais como chumbo e bismuto existem em pequenas quantidades na liga e formam filmes eutéticos de baixo ponto de fusão distribuídos nos limites dos grãos, causando fratura intergranular durante o trabalho a quente. A prática tem mostrado que a adição de vestígios de cério pode efetivamente eliminar a fragilidade em média temperatura.

O latão bifásico (de H63 a H59) consiste em solução sólida de fase α e β baseada no composto eletrônico CuZn. A fase β tem alta ductilidade em altas temperaturas, enquanto a fase β' (solução sólida ordenada) em baixas temperaturas é dura e quebradiça. Portanto, o latão (α+β) deve ser forjado a quente.

O latão β com teor de zinco superior a 46% a 50% é duro e quebradiço e não pode ser processado sob pressão.

(3) Propriedades mecânicas

Devido à diferença no teor de zinco, as propriedades mecânicas do latão variam. A Figura 7 mostra a curva das propriedades mecânicas do latão variando com o teor de zinco. Para o latão α, à medida que o teor de zinco aumenta, tanto σb quanto δ aumentam continuamente. Para o latão (α+β), a resistência à temperatura ambiente aumenta continuamente até que o teor de zinco aumente para cerca de 45%.

Se o teor de zinco aumentar ainda mais, a fase R frágil (uma solução sólida baseada no composto Cu5Zn8) aparece na microestrutura da liga e a resistência diminui drasticamente. A plasticidade à temperatura ambiente do latão (α+β) diminui com o aumento do teor de zinco. Portanto, ligas de cobre-zinco com teor de zinco superior a 45% não têm valor prático.

2. Latão Especial

A fim de melhorar a resistência à corrosão, resistência, dureza e usinabilidade do latão, uma pequena quantidade de estanho, alumínio, manganês, ferro, silício, níquel, chumbo e outros elementos (geralmente 1% a 2%, alguns até 3% a 4%, e extremamente raro até 5% a 6%) são adicionados à liga de cobre-zinco para formar uma liga ternária, quaternária ou mesmo quinária, que é chamada de latão complexo ou latão especial.

(1) Coeficiente equivalente de zinco

A microestrutura do latão complexo pode ser calculada com base no “coeficiente equivalente de zinco” dos elementos adicionados ao latão. Porque a adição de uma pequena quantidade de outros elementos de liga às ligas de cobre-zinco geralmente apenas desloca a região da fase α/(α+β) no diagrama de fases Cu-Zn para a esquerda ou para a direita.

Portanto, a microestrutura do latão especial é geralmente equivalente à microestrutura do latão comum com aumento ou diminuição do teor de zinco.

Por exemplo, a microestrutura da adição de 1% de silício à liga Cu-Zn é equivalente à microestrutura da liga com 10% a mais de zinco na liga Cu-Zn.

Portanto, o “equivalente de zinco” do silício é 10. O silício tem o “coeficiente equivalente de zinco” mais alto, o que muda significativamente o limite da fase α/(α+β) no sistema Cu-Zn em direção ao lado do cobre, reduzindo bastante o região da fase α. O “coeficiente equivalente de zinco” do níquel é um valor negativo, que expande a região da fase α.

(2) Propriedades do latão especial

As fases α e β em latão especial são soluções sólidas complexas multielementares, que têm um efeito de fortalecimento maior do que as soluções sólidas simples de Cu-Zn em latão comum.

Embora o equivalente de zinco seja o mesmo, as propriedades das soluções sólidas multielementares e das soluções sólidas binárias simples são diferentes. Portanto, uma pequena quantidade de reforço de múltiplos elementos é uma forma de melhorar as propriedades da liga.

(3) A microestrutura e as propriedades de deformação de vários latões de deformação especial comumente usados.

Latão de chumbo: O chumbo não é realmente solúvel em latão, mas existe como partículas livres distribuídas nos limites dos grãos. Existem dois tipos de latão de chumbo com base em sua microestrutura: α e (α+β). Devido ao efeito nocivo do chumbo, o latão com chumbo α tem baixa plasticidade a quente e só pode sofrer deformação a frio ou extrusão a quente. O latão chumbo (α+β) tem melhor plasticidade em altas temperaturas e pode ser forjado.

Latão de estanho: Adicionar estanho ao latão pode melhorar significativamente a resistência ao calor da liga, especialmente sua capacidade de resistir à corrosão na água do mar, portanto, o latão de estanho também é chamado de “latão naval”. O estanho pode dissolver-se na solução sólida à base de cobre, proporcionando fortalecimento da solução sólida. No entanto, à medida que o teor de estanho aumenta, a fase r frágil (composto CuZnSn) pode aparecer na liga, o que não conduz à deformação plástica da liga.

Portanto, o teor de estanho no latão estanhado está geralmente na faixa de 0,5% a 1,5%. Os latões de estanho comumente usados ​​incluem HSn70-1, HSn62-1 e HSn60-1. A primeira é uma liga α com alta plasticidade e pode passar por processamento sob pressão a frio e a quente. As duas últimas ligas possuem microestrutura bifásica (α + β), e uma pequena quantidade da fase r está frequentemente presente, com baixa plasticidade à temperatura ambiente, e só pode sofrer deformação no estado quente.

Latão manganês: O manganês tem uma solubilidade relativamente alta em latão no estado sólido. Adicionar 1% a 4% de manganês ao latão pode melhorar significativamente a resistência da liga e a resistência à corrosão sem reduzir sua plasticidade. O latão manganês possui microestrutura (α+β). Os latões de manganês comumente usados ​​incluem o HMn58-2, que possui boas propriedades de deformação sob condições de frio e calor.

Latão de ferro: No latão de ferro, o ferro precipita como partículas ricas de fase de ferro, que servem como locais de nucleação e refinam os grãos, e também podem impedir o crescimento de grãos recristalizados, melhorando assim as propriedades mecânicas e de processamento da liga. O teor de ferro no latão ferroso costuma ser inferior a 1,5%, e sua microestrutura é (α + β), com alta resistência e tenacidade, boa plasticidade em altas temperaturas e deformabilidade no estado frio. O grau comumente usado é Hfe59-1-1.

Latão de níquel: O níquel e o cobre podem formar uma solução sólida contínua, expandindo significativamente a região da fase α. Adicionar níquel ao latão pode melhorar significativamente a resistência à corrosão da liga na atmosfera e na água do mar. O níquel também pode aumentar a temperatura de recristalização do latão e promover a formação de grãos mais finos.

O latão níquel HNi65-5 possui uma estrutura α monofásica e apresenta boa plasticidade à temperatura ambiente. Também pode ser deformado no estado quente, mas o teor de impureza de chumbo deve ser estritamente controlado, caso contrário, a trabalhabilidade a quente da liga será severamente degradada.

3. Principal composição química do latão

Nota Composição química
QB GB/JIS/UNS Cu Pb Zn Sn Impurezas totais
C2501 JIS C3501 60,0-64,0 0,7-1,7 REM <=0,2 Fe+Sn<=0,4
Capítulo 3601 JIS C3601 59,0-63,0 1,8-3,7 REM <=0,3 Fe+Sn<=0,5
Capítulo 3602 JIS C3602 59,0-63,0 1,8-3,7 REM <=0,5 Fe+Sn<=1,2
Capítulo 3603 JIS C3603 57,0-61,0 1,8-3,7 REM <=0,35 Fe+Sn<=0,6
Capítulo 3604 JIS C3604 57,0-61,0 1,8-3,7 REM <=0,5 Fe+Sn<=1,2
Capítulo 3605 JIS C3605 56,0-60,0 1,8-3,7 REM <=0,5 Fe+Sn<=1,2
Capítulo 3771 JIS C3771 57,0-61,0 1,8-3,7 REM Fe+Sn<=1,0
360 ASTM C36000 60,0-63,0 2,5-3,7 REM <=0,35 Permaneceu
H62 H62/JIS C2800 60,5-63,5 <=0,08 REM <=0,15 <=0,5
H65 H65/JIS C2700 63,5-68,0 <=0,03 REM <=0,1 <=0,3
H68 H68/JIS C2600 67,0-70,0 <=0,03 REM <=0,1 <=0,3
H63 H63 62,0-65,0 <=0,08 REM <=0,15 <=0,5
H90 H90 88,0-91,0 <=0,03 REM <=0,1 <=0,2
H96 H96 95,0-97,0 <=0,03 REM <=0,1 <=0,2
H62F H62F 60,0-63,0 0,5-1,2 REM <=0,2 <=0,75
HPb59-1 HPb59-1 57,0-60,0 0,8-1,9 REM <=0,5 <=1,0
HPb58-2 57,0-59,0 1,5-2,5 REM <=0,5 <=1,0

4. Propriedades Mecânicas do Latão

Nota Propriedades da barra de processamento Desempenho do fio de processamento
Estado Resistência à tracção Taxa de alongamento (%) Dureza Estado Resistência à tracção Taxa de alongamento (%)
HPb63-3 S(H) >=490 >=3 S(H) 390-610 >=3
>=450 >=8 390-600 >=3
>=410 >=10 390-590 >=4
S(H) >=390 >=10 A2(1/2h) 570-735
>=360 >=14
H62F S(H) >=380 >=12 A2(1/2h) 390-590 >=8
390-590 >=10
>=340 >=15 370-570 >=12
350-560 >=15
HPb59-1
HPb58-2
HPb58-3
S(1/2h) >=450 >=8 A2(1/2h) 390-590
>=420 >=10 360-570
>=390 >=12 S(H) 490-720
>=370 >=16 400-640
H62
H63
A2(1/2h) >=370 >=15 M(0) >=335 >=18
>=315 >=26
>=300 >=36
A2(1/2h) >=410
>=355 >=7
>=335 >=15
>=335 >=20 Y1(3/4H) 540-785  
390-685  
350-550  
S(H) 685-980  
540-835  
500-700  
H65 S(H) >=390 M(0) >=325 >=18
>=295 >=28
>=275 >=38
A2(1/2h) >=400
>=375 >=7
>=350 >=15
M(0) >=295 >=40 Y1(3/4H) 490-735
490-785
470-670
S(H) 635-885
490-785
470-670
H68 A2(1/2h) >=370 >=15 M(0) >=355 >=18
>=395 >=30
>=275 >=42
>=315 >=25 A2(1/2h) >=390
>=345 >=10
310-510
>=295 >=30 Y1(3/4H) 490-735
345-635
310-510
M(0) >=295 >=45 S(H) 685-930
540-835
490-685
C3501 0 >=295 >=20
1/2H 345-440 >=10
      H >=420
Capítulo 3601 0 >=295 >=25 0 >=315 >=20
1/2H >=345 >=HV95 H >=345
H >=450 >=HV130 H >=345
Capítulo 3602 F >=315 >=HV75 F >=365
Capítulo 3603 0 >=315 >=20 0 >=315 >=20
1/2H >=365 >=HV100 1/2H >=365
H >=450 >=HV130 H >=450
Capítulo 3604 F >=335 >=HV80 F >=420
Capítulo 3605
Capítulo 3771 F >=315 >=15 F >=365 >=10
360 A2(1/2h) >=450 >=8 A2(1/2h) 420-600
>=410 >=12 375-590
>=390 >=18 360-550
H >=490 H 520-735
>=450 440-710
>=420 410-610
H90
H96
S(H) >-=265 >=4 S(H) 470-800
400-720
>=245 >=6 380-620
M(0) >=205 >=35 M(0) >=315 >=32
>=250 >=38
>=230 >=45

Classificação de cobre e produtos de cobre

1.1 Classificação baseada na forma de existência na natureza

Cobre nativo: o teor de cobre está acima de 99%, mas as reservas são extremamente escassas;

Minério de óxido de cobre: ​​também raro;

Minério de sulfeto de cobre: ​​o teor de cobre é extremamente baixo, geralmente em torno de 2-3%.

2. Classificação baseada no processo de produção

Concentrado de cobre: ​​minério com maior teor de cobre selecionado antes da fundição.

Cobre blister: produto obtido após fundição de concentrado de cobre, com teor de cobre entre 95-98%.

Cobre puro: cobre com teor superior a 99% obtido após refino pirometalúrgico ou eletrólise. O refino pirometalúrgico pode produzir cobre puro com pureza de 99-99,9%, enquanto a eletrólise pode fazer com que a pureza do cobre alcance 99,95-99,99%.

3. Classificação baseada nos principais elementos de liga

Latão: liga de cobre-zinco;

Bronze: liga de cobre-estanho, etc. (exceto liga de zinco-níquel, ligas com outros elementos adicionados são chamadas de bronze);

Cuproníquel: liga de cobre-cobalto-níquel.

4. Classificação baseada na forma do produto: tubos de cobre, barras de cobre, fios de cobre, folhas de cobre, tiras de cobre, barras de cobre, folhas de cobre, etc.

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