INFLUÊNCIA DA NUCLEAÇÃO SOBRE A FORMAÇÃO DA GRAFITA CHUNKY

Prévia do material em texto

INFLUÊNCIA DA NUCLEAÇÃO SOBRE A FORMAÇÃO DA GRAFITA 
CHUNKY NO FERRO FUNDIDO NODULAR 
 
 Este artigo propõe um método para evitar a grafita chunky em ferros fundidos nodulares, além 
de discorrer sobre os motivos que levam à formação e os problemas que ela causa. 
 
 
Colocação do problema e objetivo. 
 
 Em 2005 a produção de fundidos de ferro, aço e ferro fundido maleável alcançou 
a arca de 4,2 milhões de toneladas somente na Alemanha, o equivalente a 6,6 milhões 
de euros comercializados. A participação do ferro fundido nodular foi de cerca de 1,5 
milhão de toneladas [3]. A proporção deste metal na produção global de fundidos 
permaneceu igual em relação a 2004, enquanto o desenvolvimento de construção leve 
aumentou. 
 O ferro fundido nodular é utilizado em muitas áreas da construção mecânica, de 
veículos e de motores, assim como nos setores nuclear, de energia e de meio ambiente. 
No caso particular das instalações de energia eólica, determinadas propriedades do 
fundido são muito valorizadas, considerando-se as potências constantemente crescentes 
e a exigência de construções leves. 
 Deste modo, as classes de ferro fundido nodular devem satisfazer as normas [4] 
e as condições de fornecimento competentes, em conformidade com o seu campo de 
aplicação. Além disso, as suas propriedades mecânicas e tecnológicas devem obedecer a 
requisitos mínimos definidos. 
 No ferro fundido nodular, o carbono (C) está presente predominantemente na 
forma de grafita esférica. Nas peças submetidas a longos tempos de solidificação e nas 
classes ligadas com teores de níquel (Ni) e/ou silício (Si) mais elevados, entretanto, é 
possível que ocorra a deformação da grafita independentemente dos processos de 
moldagem e de fundição. Uma característica deste tipo de degeneração da estrutura é a 
disposição celular da grafita finamente dividida, com uma superfície clivada. Ela é 
denominada grafita do tipo chunky. 
 As propriedades mecânicas do ferro fundido nodular são determinadas 
basicamente pela conformação da matriz e pela formação dos nódulos de grafita [5]. 
Uma formação perturbada destes últimos pode levar à deterioração das propriedades 
mecânicas do material, em função do aumento do efeito de entalhe. O alongamento à 
ruptura, a redução da área de ruptura, a energia de impacto em barras entalhadas e a 
resistência à tração diminuem nestes casos, enquanto o limite de elasticidade 0,2% reage 
de modo limitado. A grafita do tipo chunky é a que exerce maior influência sobre a 
resistência à fadiga sob esforços alternados. 
 Até o momento, ainda não era possível evitar a sua formação com segurança de 
processo. Em peças avulsas grandes, ela muitas vezes somente é visível na usinagem 
mecânica. Os componentes nos quais ela está presente são classificados em categorias 
que vão do tolerável ao refugado. Em muitos casos, a grafita chunky é apontada como o 
motivo da falha do componente somente depois que ela acontece. Nas amostras usuais 
de controle, como naquelas produzidas na forma de placas ou cunhas, fundidas em 
conjunto ou separadas da peça, a grafita chunky não é formada. Por este motivo, é 
necessário esclarecer os motivos e as correlações do seu aparecimento e, então, 
apresentar e testar as soluções para evitá-la. 
 
 
Estado do conhecimento 
 
 As divergências da forma esférica ideal da grafita podem ser toleradas em 
grande parte, sem ocasionar uma deterioração notável das propriedades mecânicas do 
material. Somente as formas vermiculares ou lamelares de grafita, que agem como 
entalhes internos, reduzem a resistência à tração e o alongamento à ruptura na aplicação 
da carga estática, da mesma forma que a grafita chunky. O limite de escoamento 0,2%, 
por sua vez, sofre poucas alterações. 
 De acordo com estudos de W. Baer, G. Push e T. Brecht [6], componentes de ferro 
fundido nodular GJS-400 com paredes grossas e sem grafita do tipo chunky apresentam 
resistência à tração de até 387 N/mm², limite de escoamento 0,2% de 280 N/mm², 
alongamento à ruptura de 25% e redução da área de ruptura de 24%. No caso da 
presença da grafita chunky na estrutura, a resistência à tração é reduzida para 246 
N/mm², o limite de elasticidade 0,2% permanece em torno de 243 N/mm², o 
alongamento é reduzido para 3% e a área de ruptura cai para 1%. A diminuição da 
tenacidade à ruptura tem uma importância decisiva, pois causa o deslocamento do 
tamanho crítico das fendas, que provocam a ruptura por fragilidade. 
 A grafita chunky exerce uma grande influência sobre a resistência à fadiga sob 
esforços alternados. Conforme os estudos de H. Kaufmann, a resistência à fadiga do 
ferro fundido nodular GJS-400 é reduzida em cerca de 30 a 50% na presença deste tipo 
de grafita [7, 8], em função do tipo de carga, enquanto a tenacidade à ruptura diminui 
45%. Com base no cálculo da solicitação no local da grafita chunky, a peça pode ser 
classificada de tolerável a refugada. 
 O tamanho dos nódulos do ferro fundido nodular aumenta no caso de um 
resfriamento lento e de uma espessura de parede crescente, enquanto a sua quantidade 
por unidade de superfície é reduzida. Nesta área, muitas vezes a grafita chunky se faz 
presente, devido à degeneração da grafita. 
 Na referência bibliográfica 9, há um resumo a respeito da formação deste tipo de 
grafita e da sua influência sobre as propriedades mecânicas, assim como informações 
sobre como eliminá-la. De acordo com a referência bibliográfica 10, as condições de 
ocorrência da grafita chunky são as seguintes: 
 
 Teores elevados de silício, cobre, níquel, cálcio e cério. 
 A influência do níquel é bastante grande, de modo que a formação da grafita 
chunky ocorre já em seções transversais delgadas do ferro fundido nodular 
austenítico. 
 O aumento do carbono equivalente para teores superiores a 4,1% aparentemente 
favorece a sua formação. 
 O cálcio presente no ferro silício contribui para a formação da grafita chunky 
quando adicionado muito tarde no processo de fusão. 
 A densidade de nódulos nas zonas onde esta grafita está presente sempre é pequena, 
mesmo com o tratamento de inoculação, aparentemente por causa da baixa 
velocidade de resfriamento das peças com espessura de parede grossa. 
 A grafita chunky foi encontrada no centro de peças deste tipo, quando os materiais 
de carga apresentavam um teor muito pequeno de elementos residuais, apesar da 
adição de mischmetal de cério. 
 
 
 
 
Os resultados dos mecanismos de formação da grafita chunky são vários: 
 
1) A alteração da energia interfacial, em consequência do acúmulo de cálcio na 
superfície dos nódulos, faz com que o seu mecanismo de crescimento seja alterado 
[11]. 
 
2) Perturbação ou destruição local do envoltório de austenita ao redor dos nódulos 
primários, em razão de turbulências térmicas no banho fundido residual [12]. 
 
3) Rompimento dos nódulos grosseiros por causa de tensões internas elevadas [13]. 
 
4) Quando a densidade dos germes de nucleação é aumentada por meio de um 
tratamento de inoculação efetivo [5, 14-16], é possível evitar a formação da 
grafita do tipo chunky. 
 
5) Crescimento da grafita em forma de língua, provavelmente por causa de mecanismo 
de segregação [17]. 
 
6) Forte crescimento da grafita na forma de ramificações depois da nucleação, em 
razão das micro-segregações [18]. 
 
7) O motivo para a formação da grafita chunky é a baixa densidade de nódulos no 
banho fundido. Os poucos nódulos existentes apresentam um envoltório de 
austenita espesso. Para o crescimento desimpedido de nódulos, é necessário aplicar 
um forte super-resfriamento [19]. 
 
8) Com a introdução de oxigênio dissolvido, é possível evitar a ocorrência de grafita 
chunky, devido ao aumento dos germes heterogêneos. Este tipo de grafita sempre 
ocorre no ferro fundido nodular com paredes grossas, quando a curva tempo x 
temperatura indica um super-resfriamento de 5 a 10°C [16]. 
 
 
 
 
 
Figura 1 – Plaquetas que cresceram umas sobre as outras em camadas da grafita chunky. 
 Uma característicada grafita chunky é a disposição celular local da grafita 
compacta. A estrutura restante nesta área geralmente apresenta uma característica 
nodular. Nas superfícies usinadas, a grafita chunky fica visível na forma de manchas 
acinzentadas. Na micrografia, ela fica muito parecida com a grafita vermicular. 
 A prática de compensar elementos estranhos com cério (Ce) e amortecer uma 
possível dosagem excessiva deste elemento com o antimônio (Sb) evita as causas reais 
do problema e não apresenta uma solução satisfatória, com segurança de processo. 
 Apesar deste procedimento exercer uma influência indireta sobre as condições 
de nucleação, a prática mostra que ele é pouco apropriado como instrumento de controle 
do processo. Com este método de trabalho, geralmente é possível impedir a formação da 
grafita chunky, embora não se consiga alcançar um número de nódulos suficientemente 
grande. Entretanto, isso é necessário para ajustar as boas propriedades do material, no 
caso de espessuras de parede grossas. A combinação correta de cério e antimônio 
realmente impede a ocorrência da grafita do tipo chunky, mas mesmo assim o número 
de nódulos permanece muito pequeno no caso de um baixo teor de oxigênio, o que é um 
indício de uma nucleação insuficiente. 
 Diversos artigos já foram publicados sobre a teoria e a prática da nucleação e do 
tratamento de inoculação. As teorias mais importantes a respeito da cristalização da 
grafita em banhos de ferro fundido são as teorias dos germes de sulfeto [20], dos 
germes de carbeto de silício (SiC) [1,22] , dos germes de grafita [23] , dos germes de 
carbonetos [24, 25, 26] e dos germes de óxidos [27, 20, 29]. 
 A análise térmica, assim como as amostras fundidas em forma de cunha, são 
utilizadas há muitos anos com o objetivo de controlar o efeito de inoculação e monitorar 
a qualidade metalúrgica do banho. R. Döpp e outros [30] apresentaram um número 
sobre as possibilidades e a aplicação da análise térmica no ferro fundido maleável, no 
ferro fundido cinzento e no ferro fundido nodular. O super-resfriamento da solidificação 
eutética, assim como o coquilhamento na cunha fundida, possibilita algumas conclusões 
sobre o estado de nucleação e as conformações da grafita, embora forneçam apenas 
indicações qualitativas. A análise térmica não consegue reproduzir os efeitos da 
temperatura e a influência da composição química. 
 Desta forma o objetivo da pesquisa apresentada é desenvolver um método para a 
fabricação segura de ferro fundido nodular sem a degeneração dos seus nódulos de 
grafita. 
 
 
Ensaios realizados 
 
Os principais fatores de influência para a formação da grafita chunky são: 
 Os teores de elementos residuais e estranhos (compensação dos elementos residuais 
com o cério e deste com o uso de antimônio). 
 A quantidade de germes. 
 As segregações de silício (Si), manganês (Mn) e enxofre (S). 
 Os teores elevados de níquel. 
 Os longos tempos de solidificação. 
 
 Com base nisto, foi estabelecido um plano de ensaio que reúne as principais 
grandezas de influência na formação da grafita chunky e as variáveis da metalurgia de 
fusão. 
 
 
Sequência dos ensaios 
 
1) Fusão de materiais definidos em um forno de cadinho de média frequência com 
capacidade para10 kg, no departamento técnico do Institut für Giesserei Technik 
GmbH (Instituto para a Técnica de Fundição). As porcentagens de sorel metal e de 
sucatas de chapa de repuxo ficaram em 90% (na maioria dos ensaios) e em 10%, 
respectivamente. Em alguns testes, a porcentagem de sorel metal foi reduzida para 
30%. As correções da análise foram feitas com eletrodos de grafita e FeSi-75. 
2) Superaquecimento a 1530°C. 
3) Tratamento de todo o conteúdo do forno com FeSiMg5, conforme o processo 
sanduíche, e inoculação simultânea. Os banhos fundidos foram inoculados com 
0,3% de superseed, com algumas exceções mencionadas no subtítulo resultados dos 
ensaios – O agente inoculante. 
4) Temperaturas de vazamento entre 1390°C e 1410°C. 
 
 As alterações do nível de elementos residuais foram executadas com o acréscimo 
de metais puros e de michmetal de cério, durante a transferência para a panela. Antes do 
vazamento, foi retirada uma amostra de cada corrida, para a realização da análise 
térmica. 
 
 
 
 
Condições de solidificação e resfriamento 
 
 As condições de solidificação e resfriamento foram variadas com a fundição de 
amostras com espessuras de parede bastante diferentes (de 5 a 200 mm). A figura 2 
apresenta o modelo e a geometria das amostras confeccionadas. 
 
 
Figura 2 - Representação esquemática da peça fundida pesquisada e da posição dos 
termopares. 
 
 A peça foi fundida na posição vertical, com a maior parte da massa no lado 
superior. O material de moldagem utilizado foi a areia de quartzo aglomerada pelo 
processo pepset. 
 Termoelementos foram instalados no centro da cavidade do molde e no centro 
térmico tanto no cubo com 200 x 200 mm, como no segmento da peça fundida, cuja 
seção transversal tinha 100 x 100 mm. As curvas de resfriamento no cubo e no centro 
térmico da peça angular foram registradas por um aparelho de coleta de dados com oito 
canais, dois dos quais ocupados. 
 
Resultados dos ensaios 
 
 Todas as peças fundidas foram cortadas inicialmente no centro térmico para uma 
primeira avaliação. Após isto, elas foram usinadas com vistas à preparação da amostra 
metalográfica e à retirada de cavacos, os quais foram utilizados na análise dos 
elementos residuais. No corte de serra já foi possível reconhecer a existência da grafita 
chunky. 
 Dependendo dos parâmetros de ensaio, alguns cubos apresentaram a grafita 
chunky, enquanto outros não. Nas espessuras de parede de até 100 mm, ela não ocorreu 
com nenhum dos parâmetros de ensaio ajustados. 
 A figura 3a mostra a aparência típica da superfície de uma peça com grafita 
chunky. A região central deste fundido e uma área a aproximadamente 10 mm da sua 
superfície foram submetidas a uma micrografia. 
 Em todos os ensaios nos quais a grafita chunky estava presente foi possível 
constatar uma disposição celular de grafita chunky tendo diâmetro de cerca de 3 mm no 
plano de corte, estando cercadas por nódulos de grafita não degenerada (figura 3b). Na 
borda destas peças, a grafita apresentou uma formação esférica normal (figura 3c). 
 
 
 
Figura 3 - a) Aspecto típico da seção de uma peça com grafita chunky; b) micrografia 
sem ataque do centro da peça; c) micrografia sem ataque da camada periférica, 1 0 mm 
a b a ix o da s up e r f í c i e . 
A macro-segregação de elementos residuais 
 
 O aparecimento e a ocorrência predominante da grafita do tipo chunky no centro 
térmico das peças com paredes grossas permite concluir que o enriquecimento de 
elementos perturbadores no centro do fundido pode ser uma causa possível deste 
fenômeno. Por este motivo, foram extraídas amostras de todos os cubos no mesmo local 
da retirada das amostras para a micrografia, com o objetivo de determinar e confrontar 
os teores dos elementos residuais (cério, cálcio, chumbo, antimônio e arsênio) no centro 
térmico. Neste caso, o espectrômetro de emissão óptica com plasma acoplado 
indutivamente não detectou diferenças significativas entre os teores determinados na 
borda e no centro das peças. Também não foram verificadas segregações de chumbo 
(Pb) e cério (Ce), que são consideradas críticas. 
 
 
A influência dos elementos residuais e do tempo de resfriamento 
 
 De acordo com S. Karsay [31] e outros estudos [9], o cério, o cálcio, o silício e 
o níquel promovem a formação da grafita chunky, enquanto o bismuto, o chumbo, o 
antimônio e o arsênio, ao lado de outros elementos, levam à formação da grafita lamelar 
intercelular. A atividade do primeiro grupo de elementos decresce na ordem dos 
elementos, ou seja, o cério e o cálcio são os que mais promovem a formação da grafita 
chunky. O efeito dos elementos do segundo grupo pode ser compensado com os do 
primeiro. Nos ensaios realizados, a grafita chunky esteve presenteno cubo com teor de 
silício superior a 2,3%, quando a soma do chumbo, do antimônio e do arsênio foi muito 
pequena em comparação com a quantidade de cério. 
 Nos casos em que o silício é considerado um elemento promovedor de grafita 
chunky e quando ele é determinado a partir do quociente de Ce/Pb + Pb + As, é possível 
reconhecer uma limitação distinta das combinações de teores (figura 4) que resultam em 
peças sem e com a grafita chunky. A curva resultante (hipérbole) pode ser representada 
pela seguinte equação, em uma aproximação empírica: 
 
 
 
 Desta forma é possível calcular o valor limite de silício para a inexistência da 
grafita chunky, desde que sejam conhecidos os teores de elementos residuais e de cério. 
A quantidade de silício deve ser ajustada para um valor menor do que aquele calculado 
nesta equação. 
 
 
O agente inoculante 
 
 Os banhos fundidos inoculados com 0,3% de superseed, que apresentaram 
grafita chunky, foram usados para avaliar a influência da quantidade e do tipo do agente 
inoculante sobre este fenômeno. 
 O teor de inoculante foi aumentando em estágios de 0,1% para 0,6%, sem a 
obtenção de qualquer efeito sobre a grafita chunky. Mesmo a utilização de 0,3% de 
FeSi-75 não resultou em nenhuma estrutura diferente. 
 O aumento da quantidade de agente inoculante não levou a alteração dos teores 
de elementos residuais, especialmente do cério. 
 
 
Figura 4 – No corpo de prova com 200 x 200 mm, a região da ocorrência de grafita 
chunky é limitada por uma linha contínua [Si limite = f(Si, Ce, Pb, Sb, As)]. 
 
 
 
Nucleação 
 
 De acordo com os estudos de diferentes autores [32–36], é possível tirar 
conclusões sobre o estado de nucleação do banho fundido e o processo de solidificação, 
com base em pontos característicos da análise térmica. 
 A temperatura do ponto liquidus depende fortemente dos teores de carbono e 
silício, enquanto o super-resfriamento ΔT, ou seja, a diferença entre a temperatura 
mínima e a máxima na solidificação eutética (ΔT = Tmáx – Tmin), representa uma 
medida para o estado de nucleação do banho. 
 O tempo de solidificação eutética pode ser utilizado para avaliar 
qualitativamente a morfologia de solidificação. Um período de resfriamento mais 
prolongado significa uma estrutura mais grosseira e partículas de grafita maiores. As 
temperaturas mínima (Tmin), máxima (Tmáx) e do ponto de inversão da curva de 
resfriamento após o fim da solidificação eutética também foram determinadas. A 
posição temporária do ponto de inversão depende diretamente da duração da 
solidificação eutética. 
 Desta forma, a diferença de tempo entre a Tmin e a posição do ponto de inversão 
equivale ao tempo de solidificação. A figura 5 compara as diferenças entre as 
temperaturas mínima e máxima, que foram determinadas nas peças com 200 x 200 mm. 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 5 – Na estrutura sem nódulos de grafita chunky, o super-resfriamento situa-se 
entre 1K e 2K . Na estrutura com nódulos de grafita chunky, o super-resfriamento situa-
se entre 4K e 10K. 
 
 
 Os super-resfriamentos com conformação de grafitas distintas apresentaram 
diferenças. No caso de uma conformação perfeita de seus nódulos, as diferenças de 
temperaturas ΔT ficaram entre 1K e 2K. Na presença de grafita chunky, este valores 
passaram para 4K a 10K. Estas diferenças indicam que existe uma distinção clara entre 
os mecanismos de nucleação normal e da grafita chunky. 
 Um maior super-resfriamento na ocorrência da grafita chunky indica a presença 
de menos germes, que também pode ser explicada com a aparência da própria grafita. 
Ela cresce como um corpo relativamente grande e interligado. 
 As células de grafita chunky apresentam diâmetros de vários milímetros. 
Supondo-se que cada nódulo precisa de um germe para a cristalização, conclui-se que 
há muito menos germes nas áreas com grafita chunky. 
 O tempo de solidificação eutética da amostra com 200 x 200 mm, definido como 
a diferença de tempo entre o super-resfriamento máximo e o ponto de inversão na curva 
de resfriamento, foi em média 15 minutos maior quando a grafita chunky estava no 
centro do fundido, em comparação com a conformação perfeita dos nódulos (figura 6). 
 O crescimento de zonas com grafita chunky no centro dos fundidos aumenta o 
seu tempo de resfriamento em mais de 30%, com relação às peças com uma 
conformação normal dos nódulos. 
 
 
A morfologia da grafita 
 
 Para analisar a nucleação e as micro-segregações, foram feitas análises em 
amostras com o uso de um microscópio eletrônico de varredura e um aparelho de 
análise de raios X com energia dispersiva. Os resultados dos testes executados nas 
amostras escolhidas são apresentados a seguir. 
 
 
 
Figura 6 – O tempo de solidificação eutética na amostra com 200 x 200 mm, definido 
como a diferença de tempo entre o super-resfriamento máximo e o ponto de inversão na 
curva de resfriamento está localizado na peça. 
 
 
 A figura 7 mostra a imagem de uma partícula de grafita chunky vista por um 
microscópio eletrônico de varredura. Neste caso, é possível distinguir claramente as 
inclusões com óxidos mistos de CaO/SiO2, que não eram visíveis com o foto-
microscópio. 
 
 
 
 
Figura 7 – Micrografia de uma partícula típica de grafita chunky originada de óxidos 
mistos de CaO/SiO2. 
 
 
 
 A figura 8, por sua vez, apresenta um nódulo de grafita na proximidade imediata 
de uma célula de grafita chunky. Ele possui uma estrutura solta, que pode ser 
considerada um estágio preliminar da grafita chunky. Nele existem duas inclusões com 
a mesma composição, ou seja, de óxidos mistos de CaO/SiO2. 
 
Figura 8 – Micrografia de um nódulo nas vizinhanças de acumulação da grafita chunky. 
 
 Na região com a grafita chunky, também foram feitas microanálises dos nódulos 
de grafita localizados em sua área externa com a finalidade de determinar eventuais 
segregações dos elementos. As inclusões perto da superfície apresentaram análises 
espectrais idênticas às inclusões do banho solidificado a uma distância maior do nódulo, 
em cuja superfície não houve um enriquecimento de elementos. 
 Os nódulos de grafita localizados em zonas sem grafita chunky na proximidade 
da borda da peça, ficaram claramente mais compactos do que no centro do fundido, não 
mostraram sinais de que se tornariam soltos e apresentaram inclusões maiores. Em 
análises realizadas com um foto-microscópio, a grafita chunky aparece como um 
acúmulo de corpos de grafita pequenos, individuais e angulares, com 10 a 50µm de 
comprimento e largura em torno de 5 a 10µm. 
 Após um ataque químico profundo, a grafita aparece como um corpo interligado 
(figura 9a). No caso de uma ampliação maior (figura 9b), fica evidente que ela é 
composta por placas de grafita hexagonais laminadas, que ficam interligadas pelos 
planos de base. Uma ampliação ainda maior mostra claramente a estrutura hexagonal da 
grafita (figura 9c). 
 Como a grafita chunky é composta por camadas, a ocorrência de alterações do 
seu tamanho e de ramificações na precipitação do carbono no início e durante a 
solidificação são facilitadas. Desta maneira, é possível que exista uma rede de grafitas 
ramificadas relativamente grande. O crescimento começa provavelmente com um 
germe, possivelmente um óxido misto composto de CaO/SiO2. 
 Os nódulos de grafita na região próxima da grafita chunky apresentam uma 
estrutura solta (figura10a), com entalhes muitos profundos. Uma ampliação muito 
grande (figura 10b) possibilita o reconhecimento da estrutura hexagonal da grafita. No 
entanto, as suas placas ficam muito menores e mais finas do que na grafita chunky. 
 
Figura 9 – a) após um ataque profundo, a estrutura tridimensional da grafita chunky 
torna-se evidente; b) com o crescimento das placas de grafita chunky umas sobre as 
outras, observa-se um engrossamento; c) com a continuação do crescimento, observa-se 
a estrutura hexagonal do carbono. 
 
 
 
Figura 10 - a) Estrutura solta da grafita chunky; b) Um crescimento posterior mostra 
que aestrutura das placas de grafita hexagonal é mais semelhante à da grafita chunky. 
 
 
 As figuras 9c e 10b apresentam a mesma ampliação. A grafita nodular também 
cresce em camadas nos planos de base. O seu mecanismo de crescimento e a sua 
composição em camadas são iguais às da grafita chunky. Entretanto, devido ao 
super-resfriamento (nucleação) e aos diferentes tempos de cristalização (velocidades de 
crescimento), ocorrem formas distintas de grafita. A do tipo chunky cresce mais 
lentamente e pode se ramificar fortemente. 
 Os nódulos de grafita na borda da peça ficam substancialmente mais compactos 
do que no centro, na proximidade de áreas com a grafita chunky. Os nódulos de grafita 
ao redor da chunky podem ser considerados estágios preliminares dela. 
 
 
 
Discussão dos resultados 
 
 As explicações apresentadas a seguir sobre a ocorrência e o crescimento da 
grafita chunky são fundamentadas para os resultados dos ensaios realizados. A grafita 
do tipo chunky é formada no centro térmico das peças fundidas, nas regiões com poucos 
germes de nucleação ao lado dos nódulos de grafita, na forma de células eutéticas 
interligadas e relativamente grandes. 
 Quando ela ocorre no centro do fundido, o super-resfriamento ΔT (Tmáx – 
Tmin) alcança um valor médio em torno de 6K, enquanto na sua ausência ele fica entre 
1K e 2K. O motivo disso é o cério, que quando presente em excesso não é compensado 
com elementos promovedores de grafita lamelar, como o chumbo, o antimônio e o 
arsênio, resultando em tempos de resfriamento superiores à 50 minutos. 
 No caso de espessura de paredes menores e teores compatíveis de cério, 
chumbo, antimônio e arsênio, a grafita chunky não é formada. Portanto, ela pode ser 
evitada quando o cério é ligado aos elementos mencionados. 
 A grafita chunky cresce em camadas, a partir de placas de grafita hexagonais, 
que podem se ramificar. Os óxidos mistos compostos por CaO/SiO2 podem ser os 
germes responsáveis pelo seu crescimento. 
 Nos testes realizados foram encontrados óxidos mistos de CaO/SiO2 em cada 
nódulo de grafita na região da grafita chunky e também nela própria. Entretanto, 
inclusões deste tipo não ocorreram na borda da peça e nos fundidos sem a ocorrência da 
grafita chunky. 
 Os nódulos de grafita com inclusões de óxidos mistos de CaO/SiO2 
apresentaram uma estrutura solta, podendo ser considerados estágios preliminares da 
grafita chunky. 
 O cério retarda ou impede a nucleação. Deste modo, tem-se o aumento do tempo 
de resfriamento local, que é indicado na forma de um deslocamento do ponto de 
inversão da curva de resfriamento para tempos mais longos. 
 Uma consequência disso é o crescimento ramificado das placas de grafita 
hexagonais relativamente grandes. Elas apresentam uma formação consideravelmente 
mais fina nos nódulos de grafita, conforme comparação das figuras 9c e 10b. Os 
nódulos de grafita na proximidade da grafita chunky podem ser considerados em estágio 
preliminar. 
 A segregação de elementos tenso-ativos (cério, cálcio, chumbo, antimônio e 
arsênio) no centro da peça fundida ou o seu enriquecimento na superfície dos nódulos 
da grafia não foram constatados. 
 
 
 
Observações para a prática 
 
 Os estudos apresentados indicaram que os fatores decisivos para a formação da 
grafita chunky são a interação da velocidade de resfriamento e a relação de silício e de 
cério com os elementos que promovem a formação da grafita intercelular, tais como o 
chumbo, o antimônio e o arsênio. É possível formular uma função limite para o silício 
(Si limite), que descreve a relação entre o seu teor no banho e as quantidades de cério, 
chumbo, antimônio e arsênio, resultando em peças sem grafita chunky. 
 
 
 Nesta base, é possível estabelecer funções de critério para a formação da grafita 
chunky: 
 Intervalo de solidificação de 0 min a 15 min → nenhuma grafita chunky. 
 Intervalo de solidificação de 15 min a 50 min e Si < Si limite → nenhuma grafita 
chunky. 
 Intervalo de solidificação de 15 min a 50 min e Si = Si limite → perigo de grafita 
chunky. 
 Intervalo de solidificação > 50 min e Si > Si limite → formação de grafita chunky. 
 
 
Caso se conheça a composição química do banho fundido, estas funções de critério 
podem ser usadas na simulação, para calcular onde a grafita chunky pode ser formada. 
Com o auxílio das funções de critério, foi efetuada a simulação da formação da grafita 
chunky em um corpo de prova (figura 11). Ao se comparar as figuras 3a e 11, nota-se 
que a simulação e o estado da estrutura encontrada apresentam uma excelente 
concordância. 
 Desta forma, é possível prever as áreas em que a grafita chunky pode ser 
formada em qualquer peça submetida à simulação da solidificação. A figura 12 mostra 
uma simulação deste tipo. 
 
 
 
Figura 11 – Validação dos critérios da formação da grafita chunky com a geometria das 
amostras utilizadas. 
 
 
Figura 12 – Exemplo da simulação da geometria de uma peça real, indicando a região 
onde há perigo de formação da grafita chunky (Magma). 
 
 
 
 Devido ao efeito do cério, do chumbo, do antimônio e do arsênio sobre a 
formação da grafita chunky, torna-se necessário determinar estes elementos com 
precisão e reprodutibilidade adequada, além de identificar as suas fontes. A tabela 1 
apresenta os limites de comprovação e a reprodutibilidade para análise utilizando o 
espectrômetro de emissão óptica com plasma acoplado indutivamente. 
 
 
Tabela 1 – Valores limites e reprodutibilidade obtida em testes realizados em um 
espectrômetro de emissão óptica com plasma acoplado indutivamente. 
 
 
 
 
 Além das possibilidades de análise, é necessário localizar as fontes dos 
elementos individuais (tabela 2) e reduzir o seu acréscimo na medida do possível. 
Somente quando as dispersões e os teores absolutos dos elementos residuais são 
conhecidos é possível efetuar a sincronização da quantidade de cério com a soma de 
chumbo, antimônio e arsênio, com a finalidade de determinar o teor limite de silício, 
conforme a equação 1. 
 
 
 
Tabela 2 – Possíveis fontes de elementos formadores de grafita chunky. 
 
 
 
 O teor de silício real no banho tratado com magnésio e inoculante devem ficar 
abaixo do calculado, com a finalidade de se evitar a ocorrência da grafita chunky. 
 
 
Conclusões 
 
 Corpos de prova produzidos em ferro fundido nodular GJS-400 foram 
submetidos a ensaios de fundição, nos quais se determinou a influência da técnica de 
fusão, da composição química (elementos residuais e estranhos) e da velocidade de 
solidificação sobre a formação da grafita do tipo chunky. A finalidade foi possibilitar a 
fabricação reprodutível de ferro fundido nodular sem este tipo de grafita. 
 A técnica de fusão exerce uma pequena influência sobre a estrutura. O seu efeito 
é superado pela composição química, particularmente pelos elementos residuais e 
estranhos. 
 A grafita chunky forma células eutéticas interligadas e relativamente grandes no 
centro térmico dos fundidos, em áreas com baixa quantidade de germes, ao lado de 
nódulos de grafita com até 3 mm de diâmetro. 
 A quantidade reduzida de germes é indicada por um maior super-resfriamento do 
banho em solidificação, ao mesmo tempo em que ocorre um aumento do tempo de 
resfriamento nas seções transversais onde há a grafita chunky. 
 O super-resfriamento em peças onde elas não estão presentes é substancialmente 
menor (de1K a 2K) do que nos fundidos com grafita chunky e a mesma espessura de 
parede. Nestes casos, o super-resfriamento fica entre 4K e 10K e o tempo de 
solidificação aumenta 15 min. 
 Nos nódulos da grafita perto da grafita chunky e nela própria, foram observadas 
inclusões de óxidos mistos de CaO/SiO2, que podem ter um efeito de nucleação na 
grafita chunky. Macro e micro-segregação dos elementos residuais e dos elementos 
estranhos tenso-ativos (cério, chumbo, antimônio e arsênio) não foram constatados. 
 Para evitar a formação da grafita chunky, é necessário conhecer os teores de 
elementos residuaise estranhos. Neste caso, se possível determinar o teor limite de 
silício, abaixo do qual não há a ocorrência de grafita chunky, dependendo do tempo de 
solidificação. Um critério de ocorrência da grafita chunky foi determinado com base 
nestas relações, sendo utilizado na simulação da estrutura. 
 
 
 
 
 
Bibliografia 
 
1) Piwowarsky, E.: Hochwertiges Gusseisen (Grauguss). Springer-Verlag 1958. S. 209 
ff. 
2) Mayer, H. Hämmerli. F.: 37. Int Giesserei-Kongress, Brighton, GB, 1970. Vortr. 10. 
S. 29. 
3) Startistisches Bundesamt, DGV: Fakten und Daten der Giessereiindustrie 2004. 
4) DIN em 1563:1997: Gusseisen mit Kugelgraphit. 
5) Giesserei-Praxis (1973) n°22, S. 393-398. 
6) Giesserei 83 (1996) n°22, S. 19-22. 
7) Kaufmann, H.: LBF-Bericht n°6953, Aif n° / GAG, 9155/1. 
8) Konstruierem + Giessen 27 (2002) n°1. S. 4-27. 
9) Hamberg K.; Björkegreen, L-E; Sun, Z. X.: Chunky Graphite in Ductile Iron, 
Bericht n°030930, Gjuteriföreningen, Schweden, 2003. 
10) Hasse, S.: Guss-und Gefügefehler. Fachverlag Schön, Berli 1999. 
11) Trans. Am. Foundrymen’s Soc. 78 (1970), S. 5-8. 
12) Trans. Am. Foundrymen’s Soc. 768 (1968), S. 497-503. 
13) AFS Int. Cast. Met. J. (1976) S. 23-30. 
14) Giesserei 60 (1973) n°7, S. 175-181. 
15) Giesserei 65 (1978) n°11, S. 294-301. 
16) Giesserei – Rundschau 22 (1975) n°6, S. 63-68. 
17) Radex – Rundschau 27 (1980) n°1/2, S. 30-50. 
18) Trans Am. Foundrymen’s Soc. 91 (1983), S. 19-126. 
19) Giessereiforschung 43 (1991) n°3, S. 107-115. 
20) Skaland, T.: Diss. Trondhein, 1996. 
21) Weis, W.: In: Metallurgy of Cast Iron, roc. Sec. Int. symp. On Metallurgy of cast 
iron, Genf 1974. 
22) Giesserei, techn-wiss. Beih. 14 (1962) n° 4, S. 193-205. 
23) Wang, C.: Frederiksson, H.: In: 48 ème Congres International de Fonderie, Varna 
1981. 
24) Defranq, C.; van Eeghem, J.; deSy, A.: 36th Int. Foundry Congress, Belgrad, 1969. 
25) Giessereiforschung 19 (1967) n°4, S. 197-202. 
26) Int. J. Cast Metals Res. 13 (2000) n°13, 107-121. 
27) Giessereiforschung 25 (1973) n°1, S. 9/19. 
28) Giesserei 67 (1980) n°20. S. 620-28. 
29) Giessereiforschung 27 (1975) n°4, S. 13-128. 
30) Giesserei- Praxis (1994) n°7, S. 141-148. 
31) Karsay, S.: QIT-Fer et Titane, 1992. 
32) Giessrei-Praxis (2001) n°4, S. 14-147. 
33) Giesserei 61 (1964) n°20, S. 611-615. 
34) Giesserei 71 (1984) n°7, S. 269-273. 
35) Giesserei 71 (1984) n°15, S. 588-594. 
36) Giesserei 71 (1984) n°18, S. 686-690.