Na maioria das aplicações industriais de condutividade, o primeiro material a ser considerado é o cobre puro (C11000). Ele oferece a maior condutividade elétrica entre todos os metais disponíveis no mercado, com condutividade térmica equivalente. Para aplicações estáticas que operam próximas à temperatura ambiente, essa costuma ser a escolha certa.
Mas muitas aplicações na realidade não são estáticas e não ocorrem à temperatura ambiente. Os eletrodos de soldagem por resistência conduzem correntes que elevam a temperatura da ponta para mais de 600 °C. Os bicos de canais quentes para moldagem por injeção passam por ciclos repetidos de cargas térmicas e de pressão milhares de vezes por dia. Os moldes de fundição contínua operam continuamente em altas temperaturas. Nesses ambientes, o cobre puro amolece, deforma-se e perde a integridade dimensional.
Quando isso acontece, o custo não é a liga em si. O custo é o tempo de inatividade, o refugo e a redução da vida útil das ferramentas.
Essa é a lacuna que o CuCrZr foi desenvolvido para preencher.
O comportamento de amolecimento do cobre puro é uma função de sua temperatura de recozimento, que fica em torno de 200 a 250 °C. Acima disso, a recuperação e a recristalização anulam qualquer endurecimento por deformação introduzido durante a fabricação. A resistência à tração cai, a dureza diminui e a peça começa a se deformar sob cargas que antes poderia suportar.
Condições operacionais específicas em que o cobre puro apresenta inadequação:
Em cada caso, o modo de falha é o mesmo: deformação progressiva, perda de tolerância geométrica e eventual substituição.
O CuCrZr (cobre-cromo-zircônio, designado CuCr1Zr ou C18150) introduz pequenas quantidades de cromo (cerca de 0,5 a 1,5%) e zircônio (até 0,2%) na matriz de cobre. Isoladamente, essas adições teriam pouco efeito. A transformação ocorre por meio do tratamento térmico.
O CuCrZr é processado em duas etapas:
Esses precipitados são pequenos demais para dispersar elétrons de forma significativa, de modo que a maior parte da condutividade elétrica e térmica do cobre é mantida. Mas eles são grandes e estão distribuídos o suficiente para imobilizar deslocações sob carga, o que confere à liga sua estabilidade mecânica.
O perfil de propriedades resultante é algo que o cobre puro não consegue atingir em nenhuma condição:
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Propriedade |
Cobre puro (C11000, recozido) |
CuCrZr (tratado termicamente) |
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Condutividade elétrica (γ) |
~100% IACS |
75 a 86% IACS |
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Resistência à tração (Rm) |
~220 MPa |
450 a 520 MPa |
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Dureza Brinell (HBW) |
~50 |
140 a 155 |
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Início do amolecimento |
~200°C |
~470 a 500°C |
A relação entre as propriedades — cerca de 15 a 25% de condutividade em troca de aproximadamente o dobro da resistência e uma temperatura de amolecimento muito mais alta — é exatamente o que torna o CuCrZr utilizável em aplicações nas quais o cobre puro não é.
Uma capa de eletrodo de cobre puro se deforma em forma de cogumelo após algumas centenas a alguns milhares de soldas, dependendo da corrente e da força. As capas de CuCrZr mantêm a dureza por períodos muito mais longos, o que significa menos trocas, qualidade de solda mais consistente e menor custo do eletrodo por solda. É por isso que o CuCrZr é o material de referência para eletrodos da Classe 2 da RWMA.
O aço para ferramentas oferece resistência, mas conduz o calor lentamente, o que prolonga o tempo de ciclo. O cobre puro conduz bem, mas se deforma sob carga. Os bicos de câmara quente de CuCrZr transferem calor com eficiência enquanto resistem ao estresse mecânico cíclico, o que pode reduzir o tempo de ciclo e melhorar a qualidade da superfície da peça sem sacrificar a vida útil da ferramenta.
Os moldes de cobre precisam extrair calor do aço ou de metais não ferrosos em solidificação, ao mesmo tempo em que resistem ao desgaste e à fadiga térmica no menisco. O CuCrZr proporciona uma solidificação estável ao longo de longas campanhas.
Sob carga sustentada, componentes de cobre puro sofrem fluência e se deformam. O CuCrZr suporta as mesmas correntes mantendo a forma, o que melhora a confiabilidade da conexão e reduz a manutenção.
Nem toda aplicação requer CuCrZr. Se a temperatura de operação permanecer abaixo de 200 °C, as cargas mecânicas forem baixas e a prioridade for a máxima condutividade, o cobre puro continua sendo a especificação correta. O tratamento térmico acrescenta custos e etapas ao processo, e isso só se justifica quando as condições operacionais assim o exigem.
A decisão é simples: se a peça se deformar, se expandir, sofrer fluência ou perder a tolerância sob condições operacionais, o CuCrZr provavelmente é o melhor material. Caso contrário, o cobre puro é adequado.
A AMPCO METAL produz o AMPCOLOY® 972, uma liga de cobre-cromo-zircônio fornecida em condição de tratamento térmico com propriedades mecânicas e físicas comprovadas. A liga atinge 86% de condutividade elétrica IACS, 320 W/m·K de condutividade térmica a 20 °C e 520 MPa de resistência à tração em barra redonda extrudada. Ela não contém berílio, é classificada como Classe 2 pela RWMA e está aprovada para temperaturas de operação de até 500 °C.
Para engenheiros que especificam cobre-cromo-zircônio, a questão prática raramente é “devo usar CuCrZr?”. É “qual forma, condição e fornecedor proporcionarão um desempenho previsível”. É aí que a disciplina na produção da liga, o controle do tratamento térmico e a capacidade de usinagem são tão importantes quanto a própria composição química.