Processos de Fabricação - Aula 03_Unidade 3_Solidificação

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Resumo da última aula
 O que estudamos na última aula?
Unidade 3 – Solidificação
3.4. Nucleação
 Homogênea e Heterogênea.
 1os núcleos formam-se devido ao superresfriamento e recalescência.
3.5. Crescimento
 Se dá devido ao choque de átomos que se movimentam (difusão).
 Formam-se dendritas igualmente espaçadas uma das outras.
3.6. Macroestrutura de solidificação
 Zona coquilhada
 Zona colunar
 Zona central
UNIDADE 3
Solidificação
(continuação)
Prof. Valmir Dias Luiz
Curso Técnico de Metalurgia
CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO 
DE TECNOLÓGICA DE MINAS 
FUNDIÇÃO E SOLIDIFICAÇÃO AULA 03
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3.7. Controle da Macroestrutura
 Em quase todas as aplicações, com exceção de apenas
algumas muito especiais, é necessário obter estruturas com grãos
pequenos e equiaxiais.
 Tais estruturas são isotrópicas e suas propriedades são
notoriamente superiores.
 Entretanto, torna-se necessário suprimir o crescimento colunar
por meios de estímulos das condições favoráveis à formação de
núcleos equiaxiais. São eles:
1. O controle da nucleação pelo controle das condições de fundição ou pelo
uso de inoculantes;
2. A utilização de métodos físicos (refino dinâmico) como, por exemplo, a
agitação e a vibração ultra-sônica para induzir o refino dinâmico de grão.
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3.7. Controle da Macroestrutura
1. O controle da nucleação: adicionam-se normalmente os
inoculantes ao metal líquido antes da fundição. Tanto os fatores
estruturais como os fatores químicos exercem um papel
importante na determinação da eficácia de um inoculante.
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Macroestrutura de aço inox tipo 18-8: (esquerda) estrutura fundida de 
grãos grosseiros; (direita) o mesmo aço refinado por inoculação com 
agentes nucleantes.
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3.7. Controle da Macroestrutura
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Estrutura de liga Mg-Zn: (a) espécie de uma liga dendrítica, com 
espaçamento entre as ramificações dendríticas de 40 m; (b) estrutura 
refinada pela adição de zircônio (espécime não dendrítico com tamanho 
de grão da ordem de 75 m).
a b
1. O controle da nucleação: 
3.7. Controle da Macroestrutura
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1. O controle da nucleação: portanto, os inoculantes são
utilizados para refino de grãos.
 A experiência mostra que o desempenho de uma peça
fundida é tanto maior quanto menor for o tamanho médio dos
grãos cristalinos que a constituem, particularmente no que se
refere as suas propriedades mecânicas.
 Há um esforço tecnológico no sentido de que a fundição
resulte de um processo de solidificação no qual a frequência
de nucleação seja a mais alta possível, a fim de minimizar o
tamanho dos cristais sólidos (refinamento de grão).
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3.7. Controle da Macroestrutura
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 Na tecnologia da fundição, o refinamento de grão é conseguido
normalmente através da adição ou inoculação ao metal líquido,
anteriormente à sua solidificação, de núcleos de germinação dispersos,
com alta potência de nucleação, sob a forma de partículas finamente
divididas.
 Estes inoculantes são distribuídos uniformemente no seio do metal
líquido por meio de um veículo volátil (diluente) que lhe é adicionado
previamente, desta forma, cada uma das partículas inoculantes atuará
como um núcleo de germinação localizado para nucleação
heterogênea da fase sólida
 Exemplo: decomposição dos sais de Boro e Titânio nas ligas de
Alumínio.
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 A quantidade de inoculante necessária para um
refinamento de grão eficiente é em geral muito pequena, e
normalmente não excede 0.5% do peso total do metal da
peça fundida.
 A seguir exemplos de inoculantes utilizados para refino
de grão e sua eficiência relativa.
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3.7. Controle da Macroestrutura
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Metais e ligas Inoculantes Eficiência relativa
Ligas de magnésio
Carbono
Cloreto de ferro
Zircônio
Alta
Alta
Moderada
Alumínio e suas ligas
Boro
Titânio
Nióbio
Alta
Alta
Moderada
Titânio e suas ligas
Terras raras
Níquel
Cobalto
Moderada
Baixa
Baixa
Zinco Alumínio Moderada
Estanho
Germânio
Índio
Moderada
Baixa
Chumbo Telúrio Moderada
Ligas de cobre
Ferro
Nióbio
Vanádio
Moderada
Baixa
Baixa
Ligas de níquel
Óxido de cobalto
Cobalto
Alta
Moderada
Ferro Fundido (FoFo)
Alumínio
Boro
Ferro-silício
Terras raras
Alta
Alta
Alta
Moderada
Aço comum
Nióbio
Titânio
Moderada
Moderada
Aço inoxidável (18/8) Óxido de níquel Moderada
Aço ferramenta (18/4/1) Óxido de ferro Baixa
Aço Hadfield (13% Mn) Cianeto de cálcio Moderada
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Efeitos principais do refino de grão para algumas ligas
Ligas Efeito principal do refino de grãos
Ligas de Alumínio Reduz trincas de contração e aumenta a resistência e o alongamento
Ligas de Magnésio Reduz a microporosidade e aumenta a resistência à fadiga
Ligas de Cobre Melhora a trabalhabilidade mecânica
Aços liga Aumenta a resistência à fadiga
Ligas de Níquel Aumenta a soldabilidade
Ligas de Estanho Melhora as propriedades mecânicas em geral
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3.7. Controle da Macroestrutura
2. Refino dinâmico do grão: Se o metal líquido contendo os
núcleos dendríticos iniciais for agitado durante o esfriamento
subsequente, ocorre a fragmentação das dendritas e resulta num
substancial refino de grãos.
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Macroestrutura da liga Al-4Cu solidificada: 
(a) sem agitação; (b) com agitação do molde. 
3.7. Controle da Macroestrutura
2. Refino dinâmico do grão:
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Macroestrutura de lingotes de aço inoxidável, fundidos sem vibração ultra-
sônica (acima) e com vibração ultra-sônica (abaixo).
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3.7. Controle da Macroestrutura
 As influências dos diversos parâmetros de controle sobre as
diferentes zonas de macroestrutura do fundido podem ser
resumidas como na tabela abaixo:
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Controle
Zona da Macroestrutura
coquilhada colunar equiaxial
Aumento do super-aquecimento   
Uso de massalote   
Agitação do líquido   
Aumento do conteúdo de liga   
Adição de inoculante   
Aumento na velocidade de extração de calor   
(Símbolos:  aumento;  decréscimo; não produz efeito)
3.8. Segregação
 Os líquidos que são solidificados para a produção de ligas industriais
usualmente contêm, além dos elementos soluto, intencionalmente
adicionados por seus efeitos benéficos, impurezas que se agregam
(heterogeneidade química) ao metal líquido de muitas formas diferentes:
1. Impurezas presentes nos minérios;
2. Os revestimentos de tijolos refratários dos fornos usados na fusão e
no refino;
3. Gases da atmosfera dos fornos podem ser outras fontes.
 Os diversos elementos dissolvidos nos metais líquidos comerciais
muitas vezes reagem entre si, formando compostos (óxidos, silicatos,
sulfetos etc.) que, em muitos casos, são menos densos que o líquido e
sobem para a superfície, agregando-se à escória que flutua sobre o
metal líquido (Ex.: escória do alto forno).
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3.8. Segregação
 Por outro lado, é bem possível que pequenas partículas de
impurezas permaneçam no líquido. Essas partículas, sem dúvida,
agem como centros para a nucleação heterogênea.
 Este fenômeno tem sido usado no controle do tamanho de grão
de fundidos pela inoculação artificial com elementos que,
combinando, formam catalisadores para a nucleação. O aumento
do número de centros de nucleação naturalmente produzirá um
tamanho de grão mais fino no fundido.
 Em peças fundidas encontramos não somente variações de
composição a longa distância (macrossegregação), como também
variações de composição localizadas em uma escala menor que o
tamanho do cristal (microssegregação).
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3.8. Segregação
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Segregação dendrítica (zoneamento) em uma liga cobre-estanho. Vários 
cristais diferentes sãomostrados. Note que os braços dendríticos têm 
diferentes orientações em cada cristal. 200 x.
 O líquido que envolve essas projeções dendríticas está, assim,
enriquecido de soluto e, quando solidifica, os espaços entre os
ramos se tornam regiões de elevada concentração de soluto.
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3.9. Crescimento de grão
 Na metalurgia, grão é um cristal isolado na matéria em estado
sólido.
 Crescimento de grão é o processo pelo qual o tamanho médio
de grão de um material (livre de tensão ou quase) aumenta
continuamente durante o tratamento térmico sem uma mudança
da distribuição de tamanho de grão.
 Os grãos crescem pelo movimento dos contornos.
 A força motriz é a diferença na energia livre do material nos
dois lados de um contorno de grão, que faz com que o contorno
se mova na direção de seu centro de curvatura.
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3.9. Crescimento de grão
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3.9. Crescimento de grão
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 Crescimento de grão: Um material com grãos mais finos
possui maior dureza e resistência mecânica do que um material
com grãos grosseiros, pois os primeiros possuem maior número
de contornos de grão.