Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL NUCLEAÇÃO DA GRAFITA Todos os direitos reservados

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(1)Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. NUCLEAÇÃO DA GRAFITA. 2014 – Todos os direitos reservados. 1.

(2) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. Reticulado Cristalino da Grafita ▪É. um cristal hexagonal compacto, composto por empilhamentos de monocamadas hexagonais, chamadas grafeno.. ▪ Possui. forte ligação covalente no plano das camadas e fraca ligação de Van de Valls entre as camadas. ▪ Cada. C0 = 6,71 Ǻ; ao = 2,46 Ǻ ; b0 = 4,28 Ǻ. camada é uma placa, em duas dimensões, na qual os átomos podem facilmente ser agregados na direção A, possuindo pouca probabilidade de serem agregados na direção C.. ▪O. plano preferencial de crescimento é o A, produzindo uma plaqueta.. 2014 – Todos os direitos reservados. 2.

(3) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. Nucleação da Grafita ▪A. nucleação da grafita ocorre de forma heterogênea, sob substratos compatíveis com sua cristalografia.. ▪ Industrialmente ▪ Os. estes substratos são introduzidos no banho via inoculação.. inoculantes são ligas Fe-Si, contendo ainda outros elementos como Ca, Al, Ba, Sr, Zr, Ce.. 2014 – Todos os direitos reservados. 3.

(4) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. Nucleação da Grafita a partir de CaC2. ! ▪A. adição de silício cria no banho zonas hipereutéticas ricas em silício. Nestas zonas há uma maior tendência de precipitação do carbono, baixando também a solubilidade de outros elementos como Ca.. ▪ Nestas. zonas enriquecidas em silício formam-se gotículas de cálcio metálico que reage com o carbono dissolvido do banho gerando CaC2.. ▪ Esta. reação só é possível dentro destas zonas devido à baixa atividade de oxigênio e enxofre causada pelos altos teores de silício, que permite que o cálcio combine-se preferencialmente com o carbono ao invés de combinar-se com o oxigênio ou enxofre.. 2014 – Todos os direitos reservados. 4.

(5) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. Nucleação a partir de partículas de CaC2 ▪ Devido. à alta compatibilidade cristalográfica entre os reticulados da grafita e do CaC2, é possível o crescimento epitaxial da grafita a partir do reticulado do CaC2, reduzindo com isso a necessidade da criação de energia de interface.. ▪ Devido. à alta temperatura, os íons C22- rotacionam livremente ao redor de seu centro de gravidade.. ▪ Como. a distância entre os átomos de carbono no reticulado da grafita é a mesma dos átomos de carbono nos íons C22-, basta que estes se alinhem formando o início do plano basal do cristal de grafita.. ▪ Este. fenômeno ocorre ou por difusão de íons C22- do cristal de CaC2 ou pela adição de moléculas C2 provenientes do banho. Uma vez formado, o cristal de grafita cresce rapidamente.. 2014 – Todos os direitos reservados. 5.

(6) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. Nucleação a partir de partículas de CaC2. ▪ Se. estas partículas de CaC2 migrarem para outras zonas do banho com teores normais de enxofre e oxigênio, estes carbetos seriam reduzidos a CaO ou CaS, que são compostos termodinamicamente mais estáveis, mas não efetivos para a nucleação da grafita.. ▪ Este. fenômeno de dissolução das partículas de CaC2 pode explicar a razão da perda de eficiência dos inoculantes no banho com o passar do tempo (fading).. 2014 – Todos os direitos reservados. 6.

(7) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. Nucleação da Grafita a partir de óxidos ▪ Outros. estudos apontam os óxidos, mais notadamente a sílica, como partículas nucleantes para a grafita.. ▪ As. partículas de sílica são provenientes do ferro gusa, do retorno de fundição e também são formadas durante o processo de fusão, principalmente nos fornos cubilô, devido à sua atmosfera fortemente oxidante.. ▪A. teoria corrente afirmam que o real papel da sílica é o de “ativar” partículas de óxidos ou sulfetos pré-existentes no banho, para que sirvam como núcleos efetivos para a nucleação da grafita.. ▪O -. mecanismo seria: 1 - nucleação homogênea de CaO ou Al2O3;. ! -. 2 - formação de sílica sobre estas partículas de óxidos;. ! -. 3 - nucleação da grafita sobre a camada de sílica formada.. 2014 – Todos os direitos reservados. 7.

(8) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. Nucleação da grafita a partir de óxidos. ▪A. nucleação homogênea de CaO e Al2O3 seria possível porque a energia livre para a nucleação homogênea de uma partícula esférica de raio critico corresponde respectivamente a apenas 0,54 e 2,5%, da energia livre para a formação do composto a 1.427 oC.. ▪ Ou. seja, a nucleação homogênea destes óxidos é possível porque o acréscimo em energia livre total para que uma partícula destes óxidos se forme homogeneamente é muito pequeno.. Propriedade. CaO. Al. SiO. -Δ. 1,8. 14,3. 82,1. -Δ. 334,4. 571,1. 394,5. Obs: -ΔGcrit esférica com o raio crítico necessário para a nucleação homogênea. -ΔGΦ – corresponde a reação de Al e Si dissolvido e Ca vapor com oxigênio dissolvido no banho.. ▪ Já. no caso de SiO2 , a energia livre para a nucleação homogênea de uma partícula corresponde a 42,2% da energia livre para a formação do composto a 1.427oC, o que inviabiliza esta forma de nucleação.. 2014 – Todos os direitos reservados. Gadd et all. 8.

(9) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. Nucleação da grafita a partir de óxidos ▪. No entanto, apesar dos óxidos Al2O3 e CaO formarem-se homogeneamente no banho, o desarranjo entre os reticulados da grafita e destes óxidos é muito grande para permitir a nucleação da grafita sobre estas partículas.. ▪ Pelos. dados de parâmetro de rede de alguns elementos e o da grafita, vemos que a nucleação da grafita seria possível sobre a sílica, já que o desarranjo entre o reticulado da sílica - eixo tetragonal maior da cristobalita, e o da grafita – eixo c do cristal hexagonal da grafita, é de apenas 3%.. Substância Al. (g/cm. Parâmetros de Rede Sistema. Temp. de. Tamanho (nM). 2,4. --. --. --. 2,9. Hexagonal. 0,78. 0,16. 3.Al. 3,2. Ortorrômbico. 0,75. 0,77. 0,29. 1850. Al. --. Ortorrômbico. 0,75. 0,76. 0,29. 1810. Ca. 1,6. --. --. --. --. 839. CaO. 3,3. Cúbico. 0,48. 2CaO. SiO. 3,7. Hexagonal. 0,72. CaO. SiO. 2,9. --. 2,2. Cúbico. 0,57. 2,3. Tetragonal. 0,50. 0,69. 1723. 2,3. Hexagonal. 0,82. 0,50. 1670. 2,5. Hexagonal. 0,67. 0,26. 3700. Al. CaS SiO SiO Grafita 2014 – Todos os direitos reservados. Densidade. --. 660 2040. 2570 0,55. 2130 1544 2530. 9.

(10) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. Nucleação da Grafita a partir de sulfetos ▪ Alguns. pesquisadores (Riposan et al) relataram que mais de 90% das inclusões identificadas como núcleos efetivos para a nucleação da grafita eram compostas de sulfetos complexos do tipo (Mn,X)S, onde X = Fe, Al, O, Si, Ca ou Ti.. ! ▪. Estes sulfetos complexos de manganês atuariam não como partículas nucleantes, mas sim como ativadores de inclusões pré-existentes no banho.. ▪A. relação estequiométrica entre o manganês e o enxofre do banho para a formação do sulfeto de manganês MnS é dada pela seguinte equação[44]:. ▪ %Mn ▪E. = 1,7%S. a expressão:. ▪ %Mn. = 1,7%S + 0,3. ▪ dá. o teor de manganês necessário para garantir que todo o enxofre presente esteja combinado como sulfeto de manganês[55].. 2014 – Todos os direitos reservados. 10.

(11) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. Nucleação da Grafita a partir de sulfetos Estágios da Nucleação da Grafita: ▪ Formação. de microinclusões: óxidos resultantes da reação de elementos forte formadores de óxidos estáveis como Si, Mn, Al, Ti com o oxigênio.. !. ▪ Nucleação. de (Mn,X)S sobre estas microinclusões. (Em banhos inoculados forma-se uma camada de sílica sobre a superfície do sulfeto).. !. ▪ Nucleação. 2014 – Todos os direitos reservados. da grafita sobre o composto (Mn,X)S.. 11.

(12) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. Nucleação da grafita partir de sulfetos ▪A. relação estequiométrica entre o manganês e o enxofre do banho para a formação do sulfeto de manganês MnS é dada pela seguinte equação: -. ▪E -. %Mn = 1,7%S a expressão:. ▪ Como. o parâmetro de rede dos sulfetos compostos está entre os parâmetros de rede do MnS e do CeS e SrS, situando-se mais próximos destes últimos, pode-se dizer que os sulfetos complexos do tipo (Mn, X)S são muito mais efetivos para a nucleação da grafita do que os sulfetos simples MnS.. %Mn = 1,7%S + 0,3. ▪ Dá. o teor de manganês necessário para garantir que todo o enxofre presente esteja combinado como sulfeto de manganês.. Grafita / MnS Desarranjo do Reticulado a 1.149ºC. -12,1%. 2014 – Todos os direitos reservados. Grafita / (MnX)S. ?. Grafita / CeS. Grafita / SrS. -2,9%. +1,3%. ▪ Portanto,. se a concentração de manganês no banho for alta, maior será a relação Mn/S nas partículas de (Mn,X)S diminuindo a compatibilidade cristalográfica deste composto em relação à grafita.. ▪ Desta. maneira, conclui-se que a eficiência de nucleação não é controlada somente pelo nível de enxofre do banho, mas também pela relação deste elemento com o manganês.. 12.

(13) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. Nucleação da grafita partir de sulfetos. ▪ Influência. do S e do Mn isoladamente no número de células eutéticas em ferro cinzento hipoeutético.. 2014 – Todos os direitos reservados. 13.

(14) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. Nucleação da grafita partir de sulfetos. ▪O. número de células eutéticas aumenta conforme aumento o teor de enxofre até 0,041%S. ▪ De. 0,041 a 0,12% o número de células eutéticas é estável e ocorre uma queda no nível de coquilhamento do material. ▪ Acima. de 0,12%, aumenta o nível de coquilhamento apesar do aumento do número de células eutéticas. 2014 – Todos os direitos reservados. 14.

(15) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. Nucleação da grafita partir de sulfetos. ▪O. menor super-resfriamento para a solidificação ocorre para uma relação Mn/S de 12,3.. ▪O. super-resfriamento para a solidificação aumenta tanto para valores maiores quanto para valores menores do que este. ▪ Há. uma relação ótima entre os teores de manganês e enxofre fora da qual as propriedades do material são prejudicadas.. 2014 – Todos os direitos reservados. 15.

(16) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. Nucleação da grafita partir de sulfetos. 2014 – Todos os direitos reservados. 16.

(17) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. Nucleação da grafita partir de sulfetos ▪ Goodrich. afirma que este efeito controverso do enxofre – ou da relação Mn / S nas propriedades mecânicas dos ferros fundidos deve-se ao instante em que ocorre a precipitação dos sulfetos de manganês durante a solidificação do material.. ▪ Segundo. o autor, para se obter o máximo em propriedades mecânicas, os sulfetos de manganês devem se formar em conjunto com o eutético.. ▪ Em. banhos onde a relação Mn/S é tal que ocorre a precipitação de sulfetos de manganês anteriormente ao início da solidificação, a resistência mecânica é sensivelmente menor.. 2014 – Todos os direitos reservados. 17.

(18) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. Nucleação da grafita partir de sulfetos. ▪ Variação. do limite de resistência conforme o teor de manganês aproxima-se do estequiométrico. 2014 – Todos os direitos reservados. ▪ Queda. no limite de resistência conforme aumenta o teor de enxofre e a relação Mn/S. 18.

(19) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. Nucleação da grafita partir de sulfetos ▪ Um. valor negativo no eixo horizontal indica que o teor de enxofre de equilíbrio, calculado para um determinado teor de manganês, é maior do que o enxofre real. Isto significa que todo o enxofre está em solução no inicio da solidificação.. ▪ Conforme. aumenta o teor de manganês, o teor de enxofre de equilíbrio é diminuído e a diferença entre o valor de enxofre real e o de equilíbrio é reduzida.. ▪ Esta. diferença se torna nula quando é adicionado suficiente manganês para iniciar a precipitação do sulfeto.. ▪. Adicionando-se mais manganês, esta diferença atinge valores positivos.. ▪ Conforme. esta diferença se aproxima do zero, o limite de resistência cai drasticamente.. 2014 – Todos os direitos reservados. 19.

(20) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. Nucleação da Grafita em Ferros Fundidos Nodulares ▪A. composição dos núcleos formadores de grafita nos ferros fundidos nodulares é influenciada pelo tratamento de nodulização.. ▪ Este. tratamento promove a formação de um grande número de microinclusões que podem servir como núcleos ativos para a formação da grafita.. 2014 – Todos os direitos reservados. 20.

(21) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. Nucleação da Grafita em Ferros Fundidos Nodulares ▪ Durante. a nodularização, um grande número de micro inclusões é formado, sendo o centro composto por sulfetos e a periferia composta por silicatos complexos de Mg.. ▪ Estas. micro inclusões não possuem boa concordância com o reticulado da grafita, não atuando como núcleos efetivos.. ▪A. inoculação posterior com inoculantes contendo Ca, Ba ou Sr, altera a superfície destas micropartículas (silicato de Mg), formando uma nova camada de silicatos complexos de Ca, Sr ou Ba.. ▪O. reticulado cristalino hexagonal destes silicatos tem boa concordância com o reticulado da grafita, promovendo a sua formação.. 2014 – Todos os direitos reservados. 21.

(22) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. Nucleação da Grafita em Ferros Fundidos Nodulares. 2014 – Todos os direitos reservados. 22.

(23) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. Nucleação a partir de Partículas de Grafite. ▪A. grafita eutética pode crescer epitaxialmente a partir das extremidades da grafita tipo “kish”, a partir de regiões da lamela onde a extremidade do plano basal do cristal de grafita está exposta.. ▪ Muitos. experimentos também apontam que o grafite (carburante) é um potente nuclear da grafita em ferros cinzentos.. ▪ Faltam. evidências experimentais diretas pela dificuldade de distinguir o núcleo de grafite da grafita eutética.. 2014 – Todos os direitos reservados. 23.

(24) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. Hereditariedade ▪O. termo hereditariedade decorre dos diferentes resultados de microestrutura obtidos de banhos com a mesma composição química, mas fundidos com diferentes cargas e com diferentes históricos térmicos.. ▪ Por. exemplo, sabe-se que a utilização de ferro gusa nas cargas causa um aumento do potencial de nucleação do banho.. ▪ Isto. decorre de que partículas de grafita ou grafitas tipo “kish”, oriundas do ferro gusa, permanecem no ferro líquido gerando núcleos para a formação do eutético. 2014 – Todos os direitos reservados. 24.

(25) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. Hereditariedade ▪ Banhos. obtidos a partir de fornos cubilô apresentam maior potencial de nucleação do que banhos obtidos em fornos a indução.. ▪ Isto. decorre principalmente devido ao contato prolongado do metal líquido com o coque no interior do cadinho, com o refratário de sílica e ao maior teor de oxigênio deste metal.. !. Oxigênio total,. Nitrogênio total,. em ppm. em ppm. !. Fusão. !. Cubilô: 3,30%C; 1,52%Si. 50-56. 81,7-85. Indução: 3,06%C; 1,68%Si. 8,2-9,9. 24-28,6. ! ▪ Assumindo. que durante o resfriamento dos banhos de ferros fundidos, o oxigênio combina-se como o silício formando sílica, podemos correlacionar este maior teor de oxigênio com um maior potencial de nucleação. 2014 – Todos os direitos reservados. 25.

(26) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. Superaquecimento. ▪ Na. indústria, é comum que os parâmetros de processo como composição química, temperatura de vazamento e porcentagem de inoculação sejam fixos para a fabricação de peças fundidas.. ▪ portanto,. todas as peças fundidas com os mesmos parâmetros de processo deveriam apresentar as mesmas características.. ▪ No. entanto, muitas vezes é observado que peças fundidas na segunda-feira, a partir de banhos que ficaram repousando em forno a indução durante o fim de semana costumam apresentar baixa resistência mecânica.. ▪ Ao. mesmo tempo, peças fundidas diretamente de metal elaborado em forno cubilô tendem a apresentar maior incidência de rechupe.. ▪ Muitas. vezes também, ocorre a incidência de carbonetos nas peças fundidas, sem que haja razão aparente.. 2014 – Todos os direitos reservados. 26.

(27) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. Superaquecimento. ▪ Estes. defeitos têm como possível causa, dentre outras, o excesso ou falta de núcleos para a formação da grafita no banho.. ▪ Como. a inoculação é fixa, variações do potencial de nucleação dos banhos podem acarretar que uma mesma quantidade de inoculante utilizada seja ou excessiva ou insuficiente para a obtenção de um bom fundido.. ▪A. fonte desta variação no potencial de nucleação do banho é a variação nos materiais de carga utilizados e no histórico térmico do banho.. ▪ Uma. das formas de controlar o potencial de nucleação de um banho de ferro fundido é através do tratamento de superaquecimento.. 2014 – Todos os direitos reservados. 27.

(28) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. Superaquecimento. ▪O. tratamento de superaquecimento consiste em se manter o banho por um certo tempo em temperaturas entre 1.460ºC e 1.510ºC, visando a redução no seu potencial de nucleação.. ▪ Esta. redução no potencial de nucleação do banho objetiva eliminar as suas flutuações devido às diferentes composições das cargas e históricos térmicos.. ▪ Assim,. homogeneíza-se o potencial de nucleação dos banhos obtidos com diferentes cargas e transfere-se totalmente a responsabilidade de se obter um metal bem nucleado para o processo de inoculação.. ▪A. principal reação envolvida no tratamento de superaquecimento é a redução da sílica pelo carbono dissolvido do banho. Esta reação é descrita como:. ▪ <SiO2>. + 2 C = Si + 2 (CO). 2014 – Todos os direitos reservados. 28.

(29) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. Superaquecimento A definição da temperatura de superaquecimento mais adequada é dada pela temperatura de equilíbrio da reação de redução da sílica pelo carbono dissolvido no banho. <SiO2> + 2 C = Si + 2 (CO). sem levar em conta a interação entre os elementos:. log K Si ,C =. K Si ,C =. − 27.486 + 15,47 ( T em Kelvin ). T. % Si %C 2. ▪ aSiO2 = 1 ; ▪. pCO = constante = 1;. ▪ hSi = %Si e ▪ hC = %C. 2014 – Todos os direitos reservados. 29.

(30) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. Superaquecimento Levando em conta a interação entre os elementos <SiO2> + 2 C = Si + 2 (CO) log K Si ,C = K Si ,C =. − 27.486 + 15,47 ( T em Kelvin ). T. % Si %C 2. ▪ aSiO2 = 1 ; ▪. pCO = constante = 1;. ▪ hSi = %Si e ▪ hC = %C. log aC = 1180/T – 0,87 +(2540/T + 3,48)NC – (1270/T + 1,74)N2C + log NC + (1423/T + 4,76)Nsi – (153/T + 3,02)N2Si – (1423/T + 4,76)NCNSi. log aSi = - 6863/T + 0.914 + (306/T + 6,04)Nsi – (153/T + 3.02)N2Si + log NSi + (1423/T + 4,76)NC – (1270/T + 1,74)N2C – (1423/T + 4,76)NCNSi. 2014 – Todos os direitos reservados. %C. %Si. Teq. s/inter. T eq c/inter. Neumann (T. Diferença. 0,4. 0,3. (T 1.535. 1.550. 15. 3,3. 2,0. 1.423. 1.380. 43. 30.

(31) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. Superaquecimento. (a)Aumento do teor de SiO2 para banhos com temperatura 70oC menor que a temperatura de equilíbrio e (b) Diminuição do teor de SiO2 para banho com temperatura 80oC acima da de equilíbrio. 2014 – Todos os direitos reservados. Variação do teor de oxigênio com a temperatura do banho. OBS: a descarburação do banho e a perda de oxigênio iniciam a uma temperatura 50o C acima da temperatura de equilíbrio da reação 1. 31.

(32) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. Superaquecimento ▪ Isto. indica que existem dificuldades cinéticas para a nucleação das bolhas de CO, ou seja existe a dificuldade para o oxigênio estabelecer equilíbrio com o carbono.. ▪ Isto. requer que, para que ocorra a evolução do CO, a pressão de equilíbrio pCO deve ser maior do que 1 atmosfera .. ▪ Exemplo:. > 2m.. para um banho de 1m de profundidade, pCO. pCO = pA + φbanho . h + (2 . σFe/r) pA = pressão atmosférica - atm φbanho = peso específico do banho - 6,8 g/cm3 para o ferro fundido; h = altura do banho, m; σFe = tensão superficial do banho - 1600 erg/cm2 para um banho de ferro.. ▪ Comportamento. do teor de oxigênio de acordo com o tempo e a temperatura de superaquecimento. 2014 – Todos os direitos reservados. r = raio da bolha, cm. 32.

(33) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. Superaquecimento. pCO = pA + φbanho . h + (2 . σFe/r) pA = pressão atmosférica - atm φbanho = peso específico do banho - 6,8 g/cm3 para o ferro fundido; h = altura do banho, m;. Temperaturas de superaquecimento recomendadas de acordo com o teor de carbono, silício e pressão de CO. σFe = tensão superficial do banho - 1600 erg/cm2 para um banho de ferro. r = raio da bolha, cm. 2014 – Todos os direitos reservados. 33.

(34) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. Superaquecimento. Devido a esse atraso na evolução do CO, o oxigênio continua em equilíbrio com o silício até que ocorra a formação das bolhas de CO.. Recém Propriedades. fundido a 1.350ºC. Mantido a 1.350°C. Após superaq. a. por 30min... 1.550ºC por 30 min... Após novo resf. e mantido a 1.350ºC por 30 min... O em ppm. 14 ppm. 13 ppm. 7 ppm. 15 ppm. Células Eut.. 104 cel/ cm. 118 cel/ cm. 32 cel/ cm. 69 cel/ cm. Prof. Coq.. 11,7 mm. 12,3 mm. 31,4 mm. 19 mm. 67%. 60%. 96%. 92%. grafita de superresfriam.. Tempertura de Equilíbrio = 1.413. Valores de oxigênio medidos e as curvas de equilíbrio Si-O e C-O de um banho com 3,4%C e 2,55%Si fundido em um cadinho de MgO sob atmosfera de argônio. 2014 – Todos os direitos reservados. <SiO2> + 2 C = Si + 2 (CO). 34.

(35) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. O processo de inoculação ▪ Pode-se. definir a inoculação como a adição ao banho de certas ligas de silício com o objetivo de promover alterações na distribuição da grafita, melhorar as propriedades mecânicas e reduzir a tendência ao coquilhamento. Sendo que estas alterações não podem ser explicadas em termos de alteração de composição química.. ▪É. de conhecimento que dois banhos de ferro fundido com a mesma composição química podem ter microestruturas e propriedades dramaticamente diferentes se um for inoculado e o outro não.. ▪ os. métodos mais utilizados de adição de inoculantes no ferro líquido são: adição na panela, durante seu Figure 10: Calculated numberdurante densityseu of micro-inclusions as amolde e ainda adição via enchimento; adição no jatoreduction de metalinlíquido preenchimento no function of holding posicionados time after inoculation. briquetes de inoculantes, no sistema(1) de canais, dentro dos moldes. Transfer Ladle. Pouring Ladle. In-stream. 11. 33. 22. 44 Examples: Examples: 2014 – Todos os direitos reservados. Position. 1. 2. 3. 4. 35.

(36) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. O processo de inoculação ▪ Inoculação. na Panela: granulometria do inoculante de 2 a 8 mm. 2014 – Todos os direitos reservados. 36.

(37) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. O processo de inoculação ▪ Inoculação. no Jato: granulometria de 0,2 a 0,8 mm. 2014 – Todos os direitos reservados. 37.

(38) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. Inoculação via briquete. 2014 – Todos os direitos reservados. 38.

(39) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. Inoculação via briquete. 2014 – Todos os direitos reservados. 39.

(40) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. Adição de Inoculante via Arame Recheado. 2014 – Todos os direitos reservados. 40.

(41) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. O processo de inoculação. 2014 – Todos os direitos reservados. 41.


(43) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. O processo de inoculação. Stable-to-Metastable (Gray-to-White) transition. 2014 – Todos os direitos reservados. 43.

(44) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. O processo de inoculação ▪A. inoculação promove a formação dos nódulos de grafita, aumentando sua nodularidade para um mesmo valor de Mg.. ▪ Portanto,. um eficiente processo de inoculação pode ajudar a reduzir o teor de Mg necessário para se obter um ferro nodular com microestrutura adequada.. ▪A l é m. disso, uma inoculação eficiente reduz a formação de inclusões intercelulares, o que causa uma melhora nas propriedades mecânicas do material. 2014 – Todos os direitos reservados. 44.


(46) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. O processo de inoculação: fading ▪ Fading:. perda gradual de eficiência do inoculante com o passar do tempo.. ▪Efeito. Ostwald Ripening: ocorre a coalescência e o crescimento das micro inclusões que perdem sua efetividade com núcleos para a grafita.. ▪A. força motriz para este fenômeno é a redução da área específica das inclusões, reduzindo a energia total do sistema.. ▪A. taxa de fading da inoculação está diretamente relacionada à taxa de difusão dos elementos reativos no metal líquido.. 2014 – Todos os direitos reservados. 46.

(47) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. Fading dos inoculantes. 2014 – Todos os direitos reservados. 47.

(48) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. O processo de inoculação: fading. 2014 – Todos os direitos reservados. 48.

(49) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. O processo de inoculação: fading. 2014 – Todos os direitos reservados. 49.

(50) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. Inoculação de Ferros Fundidos Cinzentos. 1.. A relação Mn:S deve ser mantida no mesmo nível durante a produção, e %S > 0,05%. 2.. Deve haver um certo valor de oxigênio no banho para promover a formação de óxidos.. 3.. Utilizar um inoculante com composição e granulometria adequada.. 4.. O tempo entre a última inoculação e o vazamento deve ser o menor possível para evitar o fading.. 5.. Teor de alumínio residual deve ficar entre 0,005 a 0,01% para efetividade da nucleação.. 2014 – Todos os direitos reservados. 50.

(51) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. Inoculação de Ferros Fundidos Nodulares. 1.. A reatividade da adição de Mg deve ser minimizada.. 2.. Deve haver um certo valor de oxigênio no banho para promover a formação de óxidos.. 3.. O teor de enxofre ser baixo e constante (recomendado: 0,005 a 0,015%).. 4.. Utilizar um inoculante com composição e granulometria adequada.. 5.. O tempo entre a última inoculação e o vazamento deve ser o menor possível para evitar o fading.. 2014 – Todos os direitos reservados. 51.

(52) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. Efeito da inoculação na sanidade das peças ▪Ferros. Fundidos Cinzentos: solidificação caracterizada pela formação de uma casca sólida na interface metal/molde, seguida do desenvolvimento de células eutéticas na frente de solidificação.. ▪a. formação e consequente expansão da grafita compensa a contração líquida, desde que ela ocorra dentro de uma casca rígida, como é característica de ferros cinzentos mal inoculados.. ▪Se. o modo de solidificação for alterado, e esta casca rígida não se formar na interface metal/molde no início da solidificação, as paredes do molde ficam diretamente expostas à pressão ferrostática.. ▪Se. as paredes do molde cederem à pressão ferrostática realizada pelo líquido remanescente e este aumento do volume da cavidade do molde se tornar muito alto para ser compensado pela precipitação da grafita no final da solidificação, pode ocorrer rechupe.. 2014 – Todos os direitos reservados. 52.

(53) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. Efeito da inoculação na sanidade das peças ▪ Os. ferros fundidos nodulares possuem modo de solidificação semelhante à um ferro fundido cinzento super inoculado.. ▪ Neste. caso, é interessante que haja precipitação de grafita nos últimos estágios da solidificação, de modo que a expansão desta grafite compense a contração do líquido interdendrítico.. 2014 – Todos os direitos reservados. 53.

(54) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. Efeito da inoculação na sanidade das peças. Formação de Pinholes de Hidrogênio São causados pela evolução de hidrogênio gasoso, sendo comumente atribuídos à um excesso de alumínio e/ou titânio no banho: 2Al + H2O ----> Al2O3 + 6H Cdissolved + 2H2 ➝ CH4 CH4 ➝ Cgraphite + 2H2 Ç{.

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(56) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. Efeito da inoculação na sanidade das peças. Ferros fundidos cinzentos são mais suscetíveis à pinholes devido à sua menor tensão superficial.. 2014 – Todos os direitos reservados. 55.

(57) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. Efeito da inoculação na sanidade das peças. ! O alumínio reduz a tensão superficial do ferro líquido uma das possíveis conseqüências pode ser a formação do defeito de pinholes. Faixa crítica para ocorrências do defeito: •. Ferros Fundidos Nodulares: 0,05% - 0,2%. •. Ferros Fundidos Cinzentos: 0,008% - 0,2%. Acima de 0,2% a suscetibilidade à formação de pinholes diminui de acordo com o aumento da tensão superficial (aumenta formação de escória). Deve-se lembrar também que quanto maior a temperatura, menor a tensão superficial.. !. 2014 – Todos os direitos reservados. 56.

(58) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. Efeito da inoculação na sanidade das peças. • Titânio pode exercer um efeito semelhante ao alumínio, apesar de estar presente em menores teores.. !. -ÕÀv>ViÊÌiÃÊ>ÌÊ£{ääc. -ÕÀv>ViÊÌiÃÊQμ ÊÉÊVR. £ä]äää. /iÕÀÕ. n]äää. Ê« iÃ. Þ`À}iÊ« iÃÊ. È]äää {]äää. /Ì>Õ -Õ« ÕÀ. Ó]äää. * iÃ. ä ä. ä°£. ä°Ó. ä°Î. -ÊqÊ Ê« iÃ -ÊqÊ* iÃ. /iÊqÊ Ê« iÃ /iÊqÊ* iÃ. Þ`À}iÊÃÊ«À>ÀÞÊÌÀ`ÕV ÌÊvÊÃÌÀ}ÊÝÞ}iÊL`}Ê> >}iÃÕÊ>`ÊÌÌ>Õ]ÊÜÌ . ä°{. /Ì>ÊvÊ>``ÌÛiÃÊ«ÀiÃiÌÊQ¯R /ÊqÊ Ê« iÃ /ÊqÊ* iÃ. }°ÊÎÇ\Ê yÕiViÊvÊÃÕ« ÕÀ]ÊÌÌ>ÕÊ>`ÊÌiÕÀÕÊVÌiÌÊÊ. 2014 – Todos os direitos reservados. Ê>``ÌÊÌÊ«ÕÀiÊ "Ê« iÃ }>Àì`Ê>ÃÊÌ iÊÕViÕÃÊvÀÊ Þ` iÃ°. iÊ³ÊÓ"Ê➝. / iÊ>ÌVÊ Þ`À}iÊÃÊi` 7>ÌiÀÊÛ>«ÕÀÊÃÊ«À`ÕVi`ÊLÞ. 57.

(59) Solidificação dos Ferros Fundidos CONFIDENCIAL. Efeito da inoculação na sanidade das peças. • Titânio pode exercer um efeito semelhante ao alumínio, apesar de estar presente em menores teores.. !. • Titânio e alumínio tem efeito sinergético e portanto, ambos devem ser controlados.. !. • Um teor residual de Ti mais alto, reduz drasticamente o teor tolerável de Al para não ocorrência do defeito.. 2014 – Todos os direitos reservados. 58.

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