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UMA NOVA ABORDAGEM PARA A INOCULAÇÃO DO FERRO FUNDIDO NODULAR

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UMA NOVA ABORDAGEM PARA A INOCULAÇÃO DO 
FERRO FUNDIDO NODULAR 
 
RESUMO 
 O objetivo do presente artigo é descrever uma nova abordagem para o projeto de inoculante 
que tem sido bem sucedido na melhoria do desempenho e nas propriedades dos fundidos. O 
inoculante descrito representa uma nova geração de produtos únicos desenvolvidos para uma 
poderosa inoculação do ferro fundido. As liga FeSi contendo níveis de cálcio e de cério são ajustadas 
para minimizar a formação carbonetos e neutralizar elementos residuais subversivos no ferro. Além 
disso, o inoculante contém pequenas quantidades controladas de enxofre e oxigênio de forma a 
torná-los disponíveis para a reação com o cálcio e o cério durante a introdução no ferro líquido. Esta 
composição especial é projetada para dar condições altamente poderosas de nucleação da grafita em 
ferros fundidos nodulares juntamente com muito eficaz redução de coquilhamento e porosidades de 
contração. Exemplos de testes de fundição são revisados, e as características únicas deste novo 
inoculante são descritas. O novo inoculante é mais poderoso do que os inoculantes convencionais 
baseados em ferro-silício, e dá origem a uma redução muito eficaz na tendência a porosidades dos 
ferros fundidos nodulares. Eficácia especial tem sido observada em ferros de baixo teor de enxofre 
ou ferros de natureza "morta" por tempos prolongados de espera (holding). Além disso, os resultados 
mostram melhorias nas propriedades de tração, bem como usinabilidade de ferros nodulares 
ferríticos. O novo inoculante representa um projeto de patente protegida (Int.Pat.No.WO99/29911), e 
está disponível sob uma marca especial, ver nota de rodapé¹. 
 
INTRODUÇÃO 
 Baseado em anos de trabalho de laboratório com inoculantes experimentais de várias 
composições, um novo conceito para a inoculação de ferro fundido nodular foi desenvolvido. O 
conceito é novo no sentido em que ele envolve não só uma liga baseada no material ferro-silício, mas 
também a introdução de pós não metálicos com a liga de ferro-silício para dar a sua característica 
especial. O fundo para o desenvolvimento deste produto foi baseado em um novo entendimento 
fundamental do mecanismo de nucleação da grafita no ferro fundido nodular, em que o corpo 
principal dos sítios de nucleação é composto de complexos, mas muito estáveis sulfetos e óxidos 
(Skaland 1992). A Figura 1 mostra um exemplo de tal sítio de nucleação no ferro nodular tanto como 
uma grande ampliação micrográfica e uma representação esquemática da sua composição de fase. Na 
produção do ferro fundido convencional a disponibilidade de locais de nucleação de tais sulfetos e 
óxidos é determinada pela pureza do metal base e seus aditivos, tempos de espera (holding) e da 
temperatura, bem como processos de tratamento metalúrgico e aditivos. 
 Tradicionalmente, os inoculantes comerciais são baseados em ligas ferro-silício contendo 
aditivos metálicos, tais como cálcio, bário, estrôncio, alumínio, zircônio, terras raras, etc., com o 
objetivo principal destes elementos reativos de combinar com o enxofre e o oxigênio no ferro e 
formar potentes sítios de nucleação heterogênea para a grafita. No entanto, com disponibilidade 
restrita de enxofre e oxigênio no ferro, os aditivos inoculantes metálicos podem chegar a um limite 
de desempenho onde sua eficácia é limitada pelo número de sítios de nucleação potenciais que 
podem ser formados após o tratamento. Assim, o objetivo principal do novo inoculante é a 
introdução de concentrações controladas de elementos não metálicos tais como enxofre e oxigênio 
com o inoculante metálico. Da inclusão equilibrada e controlada de engenharia, isto deliberadamente 
produzirá um número maior de sítios de nucleação para a grafita de uma reação que ocorre entre os 
ingredientes metálicos altamente reativos (Ca e Ce) e os ingredientes não metálicos (S e O) do 
inoculante. Estes sítios de nucleação adicionais serão então formados em paralelo aos tradicionais 
sítios formados durante as reações entre o nodularizante, o inoculante e o metal base. O resultado 
será uma melhoria notável nas condições para a precipitação e o crescimento controlado da grafita, 
com todos os benefícios possíveis que este pode introduzir à qualidade final do ferro. 
 Diversos pesquisadores tem comprovado os benefícios do enxofre para a nucleação da grafita 
(Chisamera 1994, Lalich 1996, Mercier 1969). Também, foi proposto que o oxigênio pode exercer 
um papel vital no processo de inoculação (Tartera 1980, Podrzucki 2000). Entretanto, o uso 
combinado e a performance de ambos os elementos através da pós-inoculação é uma nova 
abordagem que tem sido projetada para conseguir os benefícios do cálcio, cério, enxofre e oxigênio 
simultaneamente no processo de nucleação da grafita. O cálcio é usado como elemento reativo 
principal na inoculação, e tem se mostrado crucial para a nucleação da grafita eutética (Bilek 1972). 
O cério é introduzido por diversas razões. Primeiro, o cério contribuirá em neutralizar elementos 
residuais subversivos no ferro base, formando compostos intermetálicos estáveis (Park 2000, 
Udomon 1985). O cério também tem forte afinidade com o enxofre e o oxigênio, resultando na 
formação de óxidos, sulfetos e oxi-sulfetos de cério altamente estáveis (Kozlov 1991, Warrick 1966). 
Estes compostos de cério parecem ser muito benéficos no processo de inoculação, resultando em 
melhoria da efetividade da nucleação ao longo de toda a faixa de solidificação. 
 
 
Figura 1 – (a) Exemplo de núcleo de partícula duplex sulfeto/óxido no ferro fundido nodular com 
uma grande ampliação no microscópio eletrônico de transmissão (70.000X). (b) Representação 
esquemática de um núcleo de partícula contendo fases complexas de óxidos e sulfetos após a 
nodularização e a inoculação do ferro (Skaland 1992). 
 
EFEITOS DA INOCULAÇÃO SOBRE AS PROPRIEDADES DO FERRO FUNDIDO 
Os principais efeitos da inoculação do ferro fundido podem ser descritos como segue: 
 Evitar a formação de carbonetos duros (cementita); 
 Promover a formação de grafita e ferrita; 
 Reduzir a tendência à segregação de elementos de liga e elementos residuais; 
 Reduzir a tendência a porosidades de contração (rechupes); 
 Melhorar a usinabilidade dos fundidos; 
 Reduzir a dureza; 
 Aumentar a ductilidade; 
 Dar estruturas e propriedades mais homogêneas em diferentes seções de fundidos complexos. 
 
 O novo inoculante serve para melhorar a maioria destas propriedades para uma maior 
extensão do que outros inoculantes com base nas ligas ferro-silício. Especialmente, as melhorias na 
formação da ferrita, minimização de porosidades de contração, usinabilidade, e homogeneidade da 
microestrutura foram observados através de testes exaustivos em diversas condições de fundição. A 
seguir, algumas das características únicas serão descritas em maior detalhe, incluindo também 
exemplos de fundições. Uma série de estudos de caso será revisada para ilustrar as características de 
desempenho através de exemplos reais da indústria. 
 
CARACTERÍSTICAS ÚNICAS DO NOVO CONCEITO DE INOCULANTE 
 O novo conceito de inoculante proporciona a formação de sítios de nucleação extras no ferro 
nodular além daqueles inicialmente gerados pelo tratamento com magnésio. Isto irá aumentar a 
contagem de nódulos e melhorar a nodularidade reduzindo então a tendência a formação de 
carbonetos e microporosidades. O teor balanceado de cério também neutraliza elementos subversivos 
que podem impedir a formação de grafita nodular. Devido ao maior número de nódulos obtidos, o 
inoculante também proporciona a formação de mais ferrita nos ferros nodulares. Esta pode ser uma 
vantagem quando se produz classes ferríticas de maior ductilidade e resistência ao impacto (por 
exemplo classe GGG 40.3). 
 As características poderosas de nucleação são baseadas na formação de sulfetos e óxidos 
especiais de cério-cálcio que atuam como locais de