Sobre o Bronze Fósforo – Força, Propriedades e Usos
O bronze percorreu um longo caminho desde ser uma liga de cobre e estanho; agora é uma classe muito mais ampla de ligas de cobre que ainda hoje encontram novos usos. No entanto, a diversidade de bronzes pode dificultar a seleção do material, portanto, este artigo ajudará a aliviar um pouco a confusão ao explorar um tipo de bronze, o bronze fosforoso. Ao examinar as propriedades físicas, químicas e mecânicas do bronze fosforoso, este artigo tem como objetivo ajudar os projetistas interessados a determinar se esta liga de cobre é uma boa escolha para seu projeto. Examinaremos primeiro a composição do bronze fosforoso, depois discutiremos suas vantagens, desvantagens, propriedades mecânicas e, finalmente, discutiremos as aplicações comuns para esse metal útil.
Propriedades físicas do bronze fosforoso
Pode ser útil revisar nosso artigo sobre tipos de bronzes para compreender os pontos em comum entre as ligas de cobre e suas aplicações populares.
Abaixo, na Figura 1, está um gráfico qualitativo que descreve a composição do bronze fosforoso:
Representação em gráfico de pizza da composição do material do bronze fosforoso.
Figura 1: Detalhamento qualitativo do bronze fosforoso.
Observe que as porcentagens de zinco, ferro, chumbo e fósforo incluídas são infinitesimais.
Observando a Figura 1, pode ser difícil entender por que o bronze fosforoso tem esse nome quando é composto principalmente de cobre e estanho como liga. Isso ocorre porque apenas uma pequena quantidade de fósforo, cerca de 0,03-0,035% em peso, é necessária para dar a essas ligas suas propriedades únicas, como melhor fluxo, resistência ao desgaste e rigidez. Eles também são conhecidos como bronzes de estanho, mas uma certa quantidade de fósforo está sempre presente para serem verdadeiramente considerados bronzes de fósforo. Com uma densidade de cerca de 8,8 g/cm3, a maioria das formas dessas ligas respondem ao trabalho a quente, ao trabalho a frio e ao tratamento térmico. Eles são extremamente resilientes, resistentes à fadiga e à corrosão e podem ser facilmente moldados, vazados e soldados. A adição de chumbo torna os bronzes fosforosos mais fortes e fáceis de usinar, mas os bronzes fosforosos sem chumbo também são fortes e resistentes por si só. Eles são mais frequentemente usados em aplicações resistentes à corrosão, bem como em outras aplicações que exigem um material resiliente, mas durável.
Resistência e Fraquezas
A maioria das ligas de bronze fosforoso resiste à descoloração e à corrosão, tornando-as úteis em conduítes elétricos e outros ambientes corrosivos. Eles também são resistentes à fadiga, o que significa que mantêm sua resistência durante muitos ciclos de carga. A adição de estanho aumentará esta resistência e também a sua resistência, enquanto a adição de chumbo produzirá o bronze fosforoso, coloquialmente conhecido como "amigo do maquinista" (liga COLPHOS 90 / C54400) porque é praticamente indistinguível das ligas de latão de corte livre. A maioria das ligas desenvolve uma pátina atraente na presença de oxigênio, por isso também pode ser usada em aplicações decorativas. As principais desvantagens do bronze fosforoso são provavelmente a sua menor condutividade eléctrica, uma vez que o fósforo reduz a capacidade do metal de conduzir corrente eléctrica, e o seu preço. A poeira e os vapores do bronze fosforoso também são tóxicos quando inalados, portanto, tome cuidado com sua carteira e seus pulmões.
Propriedades mecânicas
A Tabela 1 abaixo mostra algumas das propriedades mecânicas que são relevantes para os usos e resistência do bronze fosforoso. Esta seção explicará brevemente cada propriedade e mostrará como elas tornam esta liga de cobre única.
Resistência à tração
380-450 MPa
55100-65260 psi
Módulos de elasticidade
110 GPa
16.000 ksi
Condutividade Elétrica (em relação ao cobre puro)
15%
Dureza (Rockwell B)
75-85
Maquinabilidade
20-100%
Tabela 1: Resumo das propriedades mecânicas do bronze fosforoso - Observe que esta tabela é um resumo geral e não uma lista das propriedades reais de todos os bronzes fosforosos.
A resistência ao escoamento à tração é um valor de tensão que determina o ponto em que um material se deforma plasticamente. É uma medida comum da resistência ao escoamento de um material, pois tensões abaixo deste ponto não dobrarão ou estirarão a liga (embora sempre haja exceções). É uma medida útil para os fabricantes durante a usinagem e em aplicações onde o material deve manter sua forma sem comprometer a integridade estrutural. O bronze fosforoso tem um limite de escoamento impressionante que rivaliza com algumas ligas de alumínio e até excede outros bronzes, graças à sua alta proporção de estanho e fósforo. Quando combinado com suas boas propriedades de mola, isso cria uma liga que é forte e segura.
O módulo de elasticidade, ou módulo de Young, descreve a capacidade de um material de se deformar elasticamente, ou seja, a rigidez do material. Contra-intuitivamente, um módulo de Young mais alto indica um material mais elástico, mas esta não é uma medida de “elasticidade”; é uma medida da resistência do material interno e da probabilidade de ele retornar à sua forma original sob força aumentada. Portanto, um módulo de Young alto significa que o material é geralmente forte porque não se deforma plasticamente sob condições de carga aumentada. O bronze fosforoso tem um módulo de elasticidade bastante alto (quase metade do da maioria dos aços), o que indica que não é tão forte quanto outras ligas, mas pode resistir sob condições moderadas. Isso faz com que o bronze fosforoso seja útil para operações de conformação e mais difícil de usinar, mas falaremos mais sobre isso posteriormente.
O bronze fosforoso tem uma condutividade elétrica de cerca de 15% da do cobre puro - então por que usá-lo em aplicações elétricas quando o cobre pode transportar eletricidade muito melhor? A resposta está no bom equilíbrio do bronze fosforoso entre resistência à fadiga, resistência à corrosão e condutividade elétrica. Embora não seja uma liga de destaque em nenhuma das categorias acima, sua capacidade de ser durável, forte e condutora significa que os componentes elétricos feitos de bronze fosforoso durarão mais do que seus análogos de cobre. Como resultado, o bronze fosforoso tem sido usado há muito tempo como material para interruptores elétricos, fixadores, conectores, etc., porque pode suportar cargas mecânicas e elétricas melhor do que seu equivalente típico de cobre.
A dureza do material é sempre relativa a algum durômetro padrão, e as diversas escalas de dureza fornecem uma lista comparativa de materiais dentro da mesma categoria/material geral. A Tabela 1 mostra os valores de dureza na escala Rockwell B, que é comumente usada para descrever a dureza de ligas de cobre e outros metais. Materiais com valores de dureza mais baixos são geralmente mais macios, o que significa que são mais facilmente riscados, amassados e deformados localmente na superfície, enquanto números mais altos indicam materiais que são difíceis de riscar (como vidro de borosilicato, cerâmica, etc.). Para referência, o cobre tem uma dureza Rockwell B de cerca de 50, então fica claro na Tabela 1 que o bronze fosforoso é mais resistente a arranhões do que sua forma pura. Também não é tão forte quanto outras ligas mais endurecíveis como o aço, que pode ser melhor ou pior dependendo da aplicação. Por exemplo, se a gravação e a incrustação fizerem parte da aplicação, o bronze fosforoso pode ser um bom equilíbrio entre resistência e usinabilidade, mas isso depende do tipo específico de liga e do procedimento de reforço.
Assim como a dureza, a usinabilidade é uma medida comparativa da capacidade de um material ser usinado e é sempre referenciada a algum material de usinagem padrão (para bronzes, este material é UNS C36000 – Latão de Corte Livre). Este material padrão tem uma pontuação de usinabilidade de 100%, o que significa que é fácil de usinar e apresenta poucos problemas em uma oficina. Ligas com pontuações abaixo de 100% são mais difíceis de usinar em comparação com esta referência, e este é frequentemente o caso do bronze fosforoso; no entanto, o bronze fosforoso pode ser fabricado especialmente para resolver esses problemas (assim como a maioria das outras ligas, dependendo da sua fonte). O bronze fosforoso pode ser adquirido com maior teor de chumbo, o que eliminará sua dificuldade de usinagem à medida que se torna mais autolubrificante. Portanto, embora a maioria das ligas de bronze fosforoso sejam um tanto difíceis de fresar, esse problema pode ser resolvido escolhendo a liga certa.
Aplicações de Bronze Fósforo
O bronze fosforoso é utilizado em componentes elétricos há muitos anos, mas ainda encontra novos usos devido aos avanços tecnológicos e à necessidade de materiais mais especializados. Abaixo está uma lista de aplicações do bronze fosforoso, mas saiba que ele tem muitos usos fora desta lista e novas aplicações ainda estão sendo desenvolvidas.
Algumas aplicações comuns incluem:
Molas
Buchas, buchas e rolamentos
Hastes de soldagem
Joia
Cordas de guitarra
Pontes dentárias
E mais.
