AULA ALUMÍNIO

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Ligas de Alumínio
Aquiles Silva de Oliveira 
UNIMEP 2007 
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RESUMO DA HISTÓRIA DO ALUMÍNIO
• O Alumínio é um dos mais recentes metais na história da fundição;
• 1821 - A Bauxita foi identificada pela primeira vez na cidade de Les 
Beaux ao Sul da França por Berthier;
• 1825 - O químico Oersted isolou o Alumínio;
• 1854 - Em 06 de Fevereiro houve a primeira obtenção industrial por 
Saint-Claire Deville;
• 1900 - Extraídas 70 mil toneladas de Bauxita do Sul da França, 
Norte da Irlanda e EUA, mas somente 40 % era destinada a 
produção de Alumínio como metal não ferroso;
• 1928 - Houveram as primeiras referências sobre Alumínio no Brasil 
pela Escola de Minas de Ouro Preto;
• 1944 - Inicio de produção de Alumínio em escala Industrial pela 
então Elquisa hoje Alcoa.
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Esquema de obtenção de 
Alumínio 99.5 %
NAOH PRESSÃO
DIGESTOR
Separa Al2O3 da 
Bauxita
17.500 kWh = 1 ton Al 99,.5%
Eletrolise
O2
+ -
Descarte Lama vermelha 
Material tóxico, sem 
definição de uso
Al2O3
SecagemLavagem
Calor
4
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INFLUÊNCIA DO Si (1410 °C)
NA FUSÃO
Pode ser considerado o mais importante elemento.
A temperatura de fusão é alterada consideravelmente de acordo
com o teor de Si.
NO PROCESSO
Aumenta a fluidez e reduz a tendência de trinca a quente. Melhora a 
aplicação da pressão específica (pressure-tightness)
NO PRODUTO
Reduz a usinabilidade. Peças de paredes grossas de ligas
hipereutética há principalmente o risco da formação de cristais
grossos do Si (silício primário) e isso pode reduzir a elasticidade e
pureza do metal. Aumenta a resistência de corrosão.
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Diagrama Al Si apenas para efeito 
didático
659
577
°C
11<Si<13
Ligas
Hipoeutéticas
Ligas
Hipereutéticas
Ligas
Eutéticas
11 13
Líquido 
a
Liquido + a
a = mistura com 0 a 1,55 – 1,95 % Si
b = mistura com max. 2 % AlAl + Si
% Si 
12,5
12,5
(eutético)
0 98
Liquido + b
1,65
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INFLÊNCIA DO Cu (1083 °C)
NA FUSÃO
É o segundo mais importante elemento. Aumenta a quantidade
de calor no banho, é quem fornece resistência e dureza.
NO PROCESSO
Reduz a fluidez e incidência de chupagem interna mas, com teor 
a partir de 3,8% e existência simultânea de P, surge o risco de 
porosidade, rechupe, vazamento, trinca a quente. 
NO PRODUTO
Melhora a resposta a tratamento térmico e a usinabilidade mas a
partir de 0,10 % reduz a resistência a corrosão
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INFLÊNCIA DO Mg (650 °C)
NA FUSÃO
Tem tendência de queimar-se durante a fusão, aumenta a
resistência, a dureza e a ductilidade.
NO PROCESSO
Aumenta a viscosidade reduzindo a fluidez e promove a formação 
de óxidos. Dificulta a produção de peças, especialmente aquelas 
de parede fina.
NO PRODUTO
Aumenta a resistência à corrosão, melhora a usinabilidade,
melhora a resposta a tratamento térmico.
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INFLÊNCIA DO Mn
NA FUSÃO
Liga a base de Al-Fe-Mn tem um alto ponto de fusão
NO PROCESSO
Fe+Mn+Cr pode formar uma combinação intermetálica e causar 
pontos duros.
NO PRODUTO
Por adição de Mn, as qualidades negativas do Fe são
compensadas como veremos mais adiante.
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INFLÊNCIA DO Fe (1535 °C)
NA FUSÃO
Fácil dissolução no alumínio, especialmente em temperaturas
próximas a 800 °C
NO PROCESSO
Reduz a aderência em moldes de injeção, quando teor de ferro > 0,6%; 
Fe+Mg (a partir de 0,25% Mg) aumenta tendência à aderência 
NO PRODUTO
Com o aumento do teor de ferro, aumenta claramente a dureza e
a elasticidade diminui. Com uma combinação Fe+Mg
( a partir de 0,25% Fe) a elasticidade aumenta novamente
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INFLÊNCIA DO Mg+Si
NA FUSÃO
Aumenta a solubilidade do Hidrogênio (a partir de
aproximadamente 0,25% Mg). Tendência para mais formação de
escória.
NO PROCESSO
Aumenta a viscosidade reduzindo a fluidez
NO PRODUTO
Mesma liga em combinação com Silício aumenta a dureza
Redução a elasticidade (efeito só a partir de 0,25% Mg)
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INFLÊNCIA DO Zn (420 °C)
NA FUSÃO
Boa dissolução no Alumínio durante a fusão
NO PROCESSO
Aumenta considerável a fluidez, em peças de parede fina (abaixo 
de 1,5 mm) pode admitir até 2,5% Zn
NO PRODUTO
Claro aumento de dureza e estabilidade com alto teor de Zn.
Reduz a resistência a corrosão a partir de 0,15 %
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Importância da limpeza
Cuidados com a Fusão
Evitar contato de qualquer 
material estranho com o 
banho de alumínio. 
Pode causar contaminação com risco de provocar 
pontos duros. Exemplo: partículas de materiais 
ferrosos, compostos intermetálicos como sludge. 
Evitar material úmido. Oxidação excessiva ou explosões (formação de 
óxido e absorção de hidrogênio) 
Evitar uso excessivo de 
temperatura. 
Aumento da oxidação e da absorção de hidrogênio 
ou ainda formação de carbetos ou corundum se o 
tempo de exposição for muito longo a temperaturas 
acima de 800°C além de destruir formadores de 
cristais finos. 
Evitar uso excessivo de 
manuseio. 
Aumento da oxidação e contaminação do óxido da 
superfície para o interior do banho mantendo-o em 
suspensão. 
Cuidados com a temperatura 
na panela de transferência e 
no forno de espera. 
A temperatura deve ser controlada pelo meio de 
aquecimento do forno (elétrico, gás ou óleo). Nunca 
adicionar lingotes na panela ou forno de espera 
para correção de temperatura. 
 
 
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PRINCIPAIS LIGAS
• Ligas Al-Si:
– Liga 413: 11 a 13% Si;
• Ligas Al-Si-Mg:
– Liga 356: 6,5 a 7,5% Si + 0,2 a 0,45% Mg (até 0,5% Fe);
– Liga A356: 6,5 a 7,5% Si + 0,2 a 0,45% Mg (até 0,2% Fe);
– Liga A 357: 6,5 a 7,5% Si + 0,4 a 0,6% Mg (até 0,2% Fe);
• Ligas Al-Si-Cu:
– Liga 319: 5,5 a 6,5% Si + 3,0 a 4,0% Cu (até 0,6% Fe);
– Liga 380: 7,5 a 9,0% Si + 3,0 a 4,0% Cu (até 0,6% Fe);
– Liga 380 (injeção): 7,5 a 9,0% Si + 3,0 a 4,0% Cu (até 1,2% Fe). 
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INFLUÊNCIA DO FERRO
• A adição de 1,2% de ferro é feita somente 
no processo de injeção. A saturação de 
ferro impede que o Al reaja com o ferro 
contido no molde (evita adesão no molde);
• Em outros processos o ferro é prejudicial 
porque forma agulhões que são difíceis de 
serem dissolvidos no alumínio.
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SELEÇÃO DO PROCESSO
• FUNDIÇÃO SOB PRESSÃO:
– Peças com paredes finas; injeção: granulação bastante 
refinada (alta resistência e baixo alongamento);
• FUNDIÇÃO POR GRAVIDADE:
– Peças que necessitam alongamento;
• FUNDIÇÃO EM AREIA:
– Peças comuns; Baixo alongamento (granulação 
grosseira), segregação em contorno de grão, gases;
• FUNDIÇÃO EM COQUILHA:
– Grande variedade de peças; Faixa de resistência e 
alongamento é ampla e pode-se mexer no processo. 
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FORNOS DE FUSÃO
• TIPOS:
– FORNOS A CADINHO;
– FORNOS SEM CADINHO;
– FORNOS DE CÂMARA SECA:
• SOLEIRA SECA;
• TIPO TORRE.
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FORNOS A CADINHO
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FORNOS A CADINHO
• Maior flexibilidade de ligas;
• Tempo de fusão: + 1 a 1,5 horas;
• Vantagens:
– Baixo custo inicial;
– Vida útil de aprox. 280 a 300 corridas;
– Menor oxidação da liga (aquecimento é 
indireto);
– Tamanho do cadinho: 200, 300, 500, 700... Kg.
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FORNOS A CADINHO
• Desvantagens:
– Custo do cadinho (cadinho de 500 Kg 
custa aprox. R$ 5.000,00);
– Difícil controle da temperatura;
– Maior consumo de gás;
– Alto nível de ruído.
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FORNO SEM CADINHO
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FORNO SEM CADINHO
• Capacidade: 1,5 a 10 toneladas (produz 
200 a 1500 Kg/hora);
• Maior capacidade de produção horária;
• Melhor controle da temperatura;
• Menor consumo de gás;
• Maior durabilidade do refratário.
• Desvantagem: menor flexibilidade de ligas;
• Alto custo inicial.
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FORNOS DE CÂMARA SECA
• Este tipo de forno é dotado de uma porta de 
carga, zona de fusão e câmara de 
manutenção.
• Vantagem:
– Maior vida útil do refratário;
– Menor consumo de gás.
• Desvantagem:
– Alto custo;
– Baixa flexibilidade de liga.
FORNO DE CÂMARA SECA
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Tratamento de Metal Líquido
Introdução
Em 1921, Dr. Pacz descobriu que as propriedades mecânicas de 
algumas ligas de alumínio poderiam ser melhoradas se o banho de 
alumínio líquido sofresse um tratamento com um fluxo de fluoreto 
de sódio. Este tratamento deu início ao que conhecemos hoje como
Processosde Tratamento de Metal Líquido.
A qualidade do metal líquido é conseqüência de alguns fatores, tais 
como:
• pouco gás dissolvido;
• reduzida presença de inclusões intermetálicas;
• correta temperatura de fusão entre outros.
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Introdução
Os principais tratamentos do metal líquido são os 
seguintes:
1. Refino de Grão;
2. Modificação;
3. Refino do Eutético;
4. Refino do Silício Primário;
5. Desgaseificação;
6. Remoção de Inclusões.
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Introdução
Agentes para Tratamento
Existem várias formas de encontrarmos os agentes para 
tratamento de metal líquido, as mais comuns são:
• Fluxos;
• Masteralloys;
• Tabletes e;
• Gases.
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Introdução
Agentes para Tratamento
As principais características de agente para o tratamento 
de metal líquido são:
• prevenir a oxidação prematura do elemento ativo;
• prevenir a vaporização prematura do elemento ativo;
• promover uma ampla dispersão no banho de metal;
• deixar o menor ou nenhum resíduo no banho de metal;
• promover uma rápida reação química para produzir o 
efeito desejado ;
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Introdução
Agentes para Tratamento
Fluxos
• A forma mais antiga de agentes para tratamento;
• São misturas de sais metálicos na forma de pó;
• Existem várias formulações diferentes para formular um 
fluxo;
• Em geral a composição de um fluxo é função da 
temperatura em que vamos trabalhar, se será sólido ou 
líquido, das reações químicas desejadas e da liga com a 
qual trabalharemos.
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Introdução
Agentes para Tratamento
Tipos de Fluxos
• Fluxo de cobertura: são utilizados para a cobertura da 
superfície do banho, evitando assim a oxidação do 
alumínio e/ou a vaporização de elementos de ligas;
• Fluxo escorificante: são utilizados para minimizar a 
presença de alumínio na borra. Estes fluxos são 
formados com compostos exotérmicos que reagem 
com a borra liberando calor e facilitando a separação 
do alumínio da borra. Borras não tratadas podem 
conter entre 60 – 85% de alumínio, porém borras 
tratadas apresentam um percentual de 25 – 30 %.
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Introdução
Agentes para Tratamento
Tipos de Fluxos
• Fluxo de limpeza: são utilizados para promover uma 
limpeza do banho de alumínio. Normalmente a base 
de cloro, que reage com o magnésio, o cálcio, o sódio 
e o potássio formando partículas insolúveis de Cl. 
Estas partículas flutuam no banho e são retiradas 
quando da aplicação do fluxo de escorificação.
• Fluxo de refino de grão: são fluxos utilizados para 
promover um refino do grão na estrutura da peça. 
Normalmente apresentam boro e titânio em suas 
formulações ou ambos.
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Introdução
Agentes para Tratamento
Tipos de Fluxos
• Fluxo modificador: são utilizados para modificar a forma 
do silício na formação do eutético durante a solidificação. 
Apresentam em sua formulação sódio ou estrôncio.
• Os métodos de aplicação dos fluxos na maioria das vezes
são manuais e as ferramentas devem ser sempre pré-
aquecidas para evitar a absorção de gases pelo metal
líquido.
• A determinação da quantidade de fluxo a ser utilizada deve
ser feita através de experiências práticas, sendo esta uma
característica de cada fundição.
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Refino de Grão
O refino de grão refere-se ao controle do tamanho 
de grão da fase primária durante a solidificação, através 
do controle da nucleação e crescimento das fases. 
O controle de três requisitos nos leva ao controle 
do tamanho de grão: controle da especificação da liga, 
controle da nucleação e controle do crescimento.
A nucleação possui um tempo de espera para 
tonar-se eficaz, o que é conhecido como “fading time”.
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Refino de Grão
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Refino de Grão
Vantagens
• Trinca a quente: uma estrutura fina tem menor 
tendência a trinca a quente durante a solidificação;
• Alimentação: grãos menores possibilitam uma fluidez 
melhor, facilitando a compensação durante a solidificação 
resultando em menores porosidades por rechupes;
• Estanqueidade: é melhorada devido as menores 
porosidades por rechupe;
• Homogeneidade: os compostos intermetálicos formados 
ficam mais dispersos por toda a matriz, uma vez que estes 
são dispersos nas regiões de fronteira de grão;
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Refino de Grão
Vantagens
• Usinabilidade: melhora devido a melhor 
dispersão dos compostos intermetálicos de baixo 
ponto de fusão.
• Propriedades mecânicas: são melhoradas 
devido ao menor tamanho de grão.
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Refino de grãos com Ti + B:
Grande eficiência;
Adição típica de 0,02 a 0,03% Ti
Refino é obtido por partículas sólidas de TiB2 que 
são substratos para a formação de TiAl3 que serve 
como núcleo para as dendritas de fase a
Como os núcleos são sólidos ocorre decantação, e 
aprisionamento pelas paredes reduzindo a eficiência 
com o tempo
Refino de Grão
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Refino de grãos com Ti:
Média eficiência;
Adição mínima 0,14% Ti
Refino é obtido por partículas de TiAl3 que se 
formam durante a redução da temperatura
Como os núcleos são formados com a redução da 
temperatura, o refino é permanente
Refino de Grão
39
Modificação
Em 1921 Dr. Pacz descobriu que tratando as ligas com fluxos 
de fluorato de sódio, ele poderia aumentar as propriedades mecânicas 
das ligas AlSi. 
Mais tarde descobriu-se que isto ocorria devido a mudança de 
morfologia dos cristais de silício que constituem o eutético, que 
passavam de uma formação de plaquetas para uma fina estrutura 
fibrosa.
Hoje em dia são utilizados o sódio e o estrôncio como 
elementos modificadores desta estrutura.
Após estudos realizados descobriu-se que uma das mais 
importantes características deste tratamento é que ele apresenta um 
tempo de incubação e um tempo de vida útil, “fading time”.
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MICROESTRUTURA DA LIGA ALSI
a)Liga eutética sem modificação b) Liga eutética modificada
41
Modificação
O tempo de vida útil, “fading time”, depende do 
superaquecimento do banho, do grau de agitação do banho e 
dos tratamentos que foram realizados.
Alguns elementos tiveram analisadas as influências na 
morfologia do silício, tais com:
• Fósforo: se menor que 2 ppm, o silício apresenta-se na forma 
lamelar, se maior que 4 ppm apresenta-se na forma acicular;
• Ferro: não influência;
• Magnésio: em ligas de alta pureza tendem a engrossar o 
silício, porém mantendo a forma acicular.
42
Modificação
Elementos Modificadores
Sódio
O sódio realiza duas funções nas ligas de AlSi:
- neutraliza os efeitos do fósforo;
- muda a morfologia do silício na fase eutética.
A dissolução de sódio no banho de alumínio é rápida, tendo 
um tempo de incubação entre 5 – 10 minutos, e sua vida é 
relativamente curta sendo de 30 – 60 minutos.
Os tratamentos de desgaseificação e refino de grão devem 
ser realizados antes da modificação com sódio.
43
Modificação
Elementos Modificadores
Sódio
O tempo de vida útil, “fading time” depende de alguns 
fatores, tais como:
• Teor de silício: quanto maior o teor de silício menor é o tempo 
de vida útil;
• Temperatura do banho: quanto maior a temperatura menor é o 
tempo de vida útil;
• Turbulência: quanto mais a superfície do banho for 
movimentada menor o tempo de vida útil;
• Cobertura do banho: caso a superfície do banho for protegida, 
maior será a vida útil.
44
Modificação
Elementos Modificadores
Estrôncio
O estrôncio atua no banho de alumínio seguindo as 
características do sódio.
Em comparação com o sódio, o estrôncio apresenta 
tempo de incubação ( 2 – 2,5 horas) e tempo de vida útil (5 – 6 
horas) maiores que o do sódio;
Os mesmos fatores que influenciam os tempos de 
incubação e de vida útil para o sódio, influenciam para o 
estrôncio, porém com menor importância.
A liga utilizada AlSrSi causa microporosidades durante 
a solidificação, isto deve-se ao fato de ela conter pequenos 
percentuais de cálcio.
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Modificação
Vantagens
•Alimentação: as ligas modificadas apresentam menos 
porosidades do que as não-modificadas, devido ao maior 
tempo para alimentação das contrações volumétricas;
•apresentam maior rendimento durante a produção;
• Aparência: as ligas modificadas apresentam melhor 
acabamentosuperficial, o que pode ser observado após a 
pintura ou anodização das peças;
• Resistência a tração: pode ser melhorada entre 10 – 30% 
em relação ao bruto de fundição;
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Modificação
Vantagens
• Alongamento: pode ser melhorado entre 100 –
150% em relação ao bruto de fundição
• Tensão de escoamento: não apresenta melhoras 
significativas;
• Usinabilidade: as ligas modificadas melhoram 
sua usinabilidade quando comparadas as ligas não-
modificadas.
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Refino do Eutético
Bercovici descobriu que adições de antimônio poderiam 
modificar a estrutura acicular do eutético em uma estrutura 
lamelar fina, porém não em uma estrutura fibrosa como os 
modificadores Na e Sr.
Devido a esta diferença é que o Sb não é considerado um 
modificador, mas sim um refinador do eutético.
O antimônio também neutraliza a presença do fósforo nas 
ligas, evitando que este forme os núcleos de AlP que geram a 
formação acicular.
O efeito do antimônio nas ligas, não é perdido após a 
refusão do material, por isso é chamado de “refinador 
permanente do eutético”.
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Refino do Eutético
Vantagens
• Fluidez: as ligas refinadas não apresentam perda de 
fluidez;
• Teor de gás: as ligas refinadas não apresentam tendência 
de absorção de hidrogênio como acontece com as 
modificadas;
• Resistência a tração: as ligas refinadas apresentam um 
aumento de 10 – 20% na resistência a tração;
• Alongamento: pode ser melhorado entre 75 – 125% em 
relação a bruto de fundição;
• Tensão de escoamento: não apresenta efeitos;
• Usinabilidade: melhora a usinabilidade da liga
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Refino do Silício Primário
É o tratamento realizado em ligas hipereutéticas, 
onde durante a solidificação a primeira fase a solidificar 
é o silício. Este tratamento é utilizado para controlar o 
tamanho dos cristais de silício e não para modificar sua 
morfologia.
Como elemento refinador é utilizado o fósforo, 
que em liga hipoeutéticas é considerado uma impureza 
não desejada.
O refino com fósforo é mantido durante as cinco 
refusões seguintes, após isso é necessário realizar uma 
adição de fósforo.
50
Efeito do Fósforo no Refino do 
Silício Primário
51
Refino do Silício Primário
Vantagens
• Resistência a tração: o refino do silício primário 
aumenta em 20 – 25% a resistência a tração;
• Alongamento: não apresenta grande influência 
sobre o alongamento;
• Resistência ao desgaste: aumenta a resistência ao 
desgaste;
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Desgaseificação
Muitos gases comuns são dissolvidos no 
banho de metal, como durante a solidificação a um 
decréscimo da solubilidade destes gases no material 
sólido, devemos retirar estes gases para evitarmos 
problemas de porosidade após a solidificação.
Para isto são utilizados vários agentes 
desgaseificadores, que podem ser gases inertes ou 
gases reativos, como veremos a seguir.
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Desgaseificação
Regras para evitarmos a absorção de gases pelo metal 
líquido:
• Devemos sempre pré-aquecer os utensílios que entrarão 
em contato com o banho;
• Devemos sempre fazer o pré-aquecimento dos refratário 
e dos cadinhos;
• Devemos utilizar fluxos sempre sem umidade;
• Devemos evitar turbulência na superfície do banho.
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Desgaseificação
Quando falamos em desgaseificação devemos ter 
em mente os seus princípios:
1. Evitar altas temperaturas, seja no forno de fusão ou 
no forno de espera;
2. Evitar turbulências no banho;
3. Se possível devemos ter uma atmosfera controlada 
do banho;
4. Todas as ferramentas devem ser pré-aquecidas 
antes de entrar em contato com o banho.
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Desgaseificação
A seguir veremos os principais agentes 
desgaseificadores, suas vantagens e suas desvantagens.
Gases não reativos: nitrogênio e argônio
Vantagens
 reatividade na superfície do banho pode ser controlada;
 podem ser produzidas bolhas uniformes durante o 
tratamento;
 um nível consistente de hidrogênio pode ser obtido com 
um mesmo tempo de ciclo;
 nitrogênio possui um baixo custo;
56
Desgaseificação
Gases não reativos: nitrogênio e argônio
Desvantagens
 lanças de imersão possuem oxidação rápida, aumenta 
custo;
 não removem partículas;
 necessitam de um tempo maior de tratamento se 
comparado com gás reativo;
 em temperaturas próximas a 760ºC tem tendência de 
formação de nitretos de magnésio e alumínio.
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Desgaseificação
Gases reativos: cloro
Vantagens
 gás reage com banho formando finas bolhas que removem 
melhor o hidrogênio;
 cloro reage com magnésio dissolvido formando cloreto 
que é retirado do banho;
 as bolhas de cloro formam uma película sobre o banho 
que ajuda a reter partículas não-metálicas;
 o custo é baixo.
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Desgaseificação
Gases reativos: cloro
Desvantagens
 o cloro é tóxico;
 o cloro é corrosivo;
 o cloro remove o sódio e o estrôncio do banho;
 forma com o alumínio e o magnésio sais líquidos que 
podem contaminar o banho.
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Desgaseificação
Técnicas de Desgaseificação
Existem várias técnicas utilizadas para 
realizar a desgaseificação, sendo as mais 
conhecidas as seguintes:
• Lança;
• Injeção de Fluxos;
• Rotor.
60
2Al + 3O  Al2O3
Gás neutro
Desgaseificação
Lança
61
Desgaseificação
Rotor
62
Desgaseificação
Rotor
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Remoção de Inclusões
Os principais tipos de inclusões são:
• Óxidos;
• Sais;
• Carbetos;
• Nitretos;
• Boretos.
Existem três maneiras de fazer a remoção destas inclusões: 
sedimentação, flotação ou interceptação (filtração).
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Remoção de Inclusões
Hoje são utilizadas as técnicas de:
• Fluxos: são utilizados para remover grandes 
inclusões, porém não são eficientes para pequenas 
inclusões;
• Filtração: é a técnica mais utilizada, e a que 
apresenta maior eficiência.
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ALGUMAS APLICAÇÕES
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ALGUMAS APLICAÇÕES
Rodas de liga leve
Perfis Panelas