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 denucleação eficazes para a grafita durante a 
solidificação do ferro. Estes locais de nucleação vão contribuir em conjunto com os óxidos primários 
silício-magnésio para dar poderosa nucleação da grafita, com o resultado sendo uma muito elevada 
densidade de número de nódulos. O inoculante é especialmente potente em ferros nodulares de teor 
de enxofre relativamente baixo e em ferros tratados com magnésio metálico, num processo de 
injeção de arame ou no processo conversor. A introdução de cério (metal terras raras) através do 
inoculante também pode substituir a necessidade de terras raras ser adicionado através do processo 
de nodularização. O inoculante também tem se mostrado altamente bem sucedido em fornecer sítios 
de nucleação frescos para ferros nodulares de longo tempo de espera, onde o ferro base ou o ferro 
tratado com magnésio foi mantido durante tempos prolongados antes da adição da pós-inoculação. 
Esses tempos de espera longos são bem conhecidos por reduzir a capacidade total de nucleação do 
ferro antes da inoculação, resultando no chamado “ferro morto". O novo inoculante conceito, assim, 
devolve a boa efetividade da nucleação a partir das reações com seu deliberado teor de enxofre e 
oxigênio formando adicionais, novos sítios de nucleação. 
 Devido ao poderoso efeito sobre o aumento de contagem de nódulos e melhoria na prevenção 
do coquilhamento, verificou-se que a tendência a formação de cavidades de contração (rechupe) é 
também bastante reduzida com este inoculante. Especialmente, o tipo de contração que ocorre 
frequentemente como pequenas porosidades em seções de ponto quente em peças complexas 
parecem ser efetivamente reduzidas ou mesmo eliminadas por este inoculante conceito. Verificou-se 
que uma distribuição característica bimodal de tamanho de nódulos muitas vezes ocorre a partir de 
um secundário, evento tardio de precipitação na última parte da sequência de solidificação. Tal efeito 
final da expansão da grafita efetivamente contra atacará a porosidade de contração na última parte da 
solidificação, quando os massalotes tiverem deixado de funcionar e a expansão da grafita é mais 
necessária para neutralizar a contração. Parece que o novo inoculante conceito é eficaz em distribuir 
a nucleação da grafita e o fenômeno de crescimento através de toda a faixa de solidificação. Os 
inoculantes convencionais, no entanto, têm a tendência para se obter efeito maciço e prematuro de 
expansão e muito pouca contribuição na última parte da solidificação quando realmente se faz mais 
necessário. 
 O forte efeito de nucleação e alta contagem de nódulos também é um pré-requisito para 
maximizar o teor de ferrita na produção de ferros nodulares ferríticos no estado bruto de fusão. 
Particularmente quando há limitações no teor final de silício do ferro, a alta contagem de nódulos 
obtidos com este inoculante provou ser eficaz para garantir o teor mínimo necessário de ferrita em 
tais peças fundidas. A distribuição bimodal do tamanho de nódulos, e o fato de que nódulos menores 
e precipitados posteriormente são formados no último líquido a resfriar, também ajudam na formação 
de mais ferrita, agindo como eficazes sumidouros de carbono nessas áreas segregadas enriquecidas 
em elementos promovedores de perlita. Isto também melhora indiretamente a usinabilidade do ferro 
fundido, e o inoculante deve, portanto, ser a escolha preferida quando a boa usinabilidade é um 
requisito importante. 
 
 
Figura 2 – Aparência física (a) do inoculante ferro-silício convencional com característica de 
superfície metálica; (b) do novo inoculante conceito com característica de superfície preta. 
A composição especial do inoculante, incluindo adições de óxidos e sulfetos finamente dispersos 
com a liga base ferro-silício, provoca uma aparência específica deste produto. A Figura 2 mostra 
uma comparação entre a concepção do novo inoculante e uma liga base ferro-silício convencional. É 
claro que o novo conceito aparece com características de partículas de superfície escura devido ao 
seu teor de sulfetos e óxidos. A Tabela 1 indica as especificações e composição típica do novo 
inoculante conceito. 
Tabela 1 – Especificações e composições típicas do novo inoculante conceito. 
 Silício Cálcio Cério Alumínio Enxofre Oxigênio 
Especificações 70 - 76 0,75 – 1,25 1,5 – 2,0 0,75 – 1,25 1,0 máx. 1,0 máx. 
Típico 73 1,0 1,75 1,0 Residual Residual 
 
RESULTADOS DE TESTES DE FUNDIÇÃO 
 O novo inoculante conceito foi testado e implementado globalmente em numerosas 
fundições. Até agora, mais de 80 fundições realizaram testes, e destas, acima de 60% relataram 
algum tipo de resultado bem sucedido. As fundições têm critérios e objetivos diferentes nos testes, e 
estão à procura de tipos individuais de melhorias nas propriedades. A seguir características 
específicas podem ser mencionadas a partir dos testes de fundição: 
 Especialmente eficaz para reinstalar poderosas condições de inoculação em ferro base "morto"; 
 Melhor desempenho em aplicações de tratamento com magnésio puro e com ligas FeSiMg; 
 Especialmente eficaz quando usado como inoculação final no jato; 
 Especialmente eficaz na eliminação de porosidade de contração em seções complicadas (pontos 
quentes); 
 Reduz a sensibilidade à seção de estruturas nodulares em peças fundidas de espessura variável; 
 Pode não ser tão eficiente como um completo inoculante para ferro fundido cinzento; 
 Aplicações de sucesso também foram observadas em ferro fundido vermicular (reduzida 
sensibilidade à seção). 
 
 A seguir, quatro estudos de caso de testes de fundição serão revisados. A intenção destes 
estudos de caso é mostrar alguns exemplos típicos de características de desempenho observadas em 
diferentes condições de fundição com o novo inoculante conceito. 
 
ESTUDO DE CASO 1 
 Esta fundição utiliza forno à indução elétrica e um processo panela tundish cover para 
preparar o ferro nodular. O ferro nodular tratado é transferido para um forno de indução a canal 
bastante grande holding e unidade de vazamento onde o ferro pode ser mantido por um tempo. A 
fundição tem problemas com carbonetos e excesso de porosidades de contração em peças fundidas 
complexas com seções muito finas. Um desafio chave é evitar grandes porosidades de contração em 
distantes pontos quentes na peça, em seções mais grossas que precisam ser perfuradas e necessitam 
de uma superfície lisa na face interior do furo. A fundição normalmente usa uma pós-inoculação 
final no jato um inoculante ferro-silício bearing (Zr, Mn, Ca). 
 Nos primeiros testes do novo inoculante, este foi diretamente comparado com a liga ferro-
silício bearing (Zr, Mn, Ca) como adição no jato. A tabela 2 apresenta a densidade média típica de 
número de nódulos obtidos para os dois inoculantes, enquanto as Figuras 3, 4 e 5 mostram exemplos 
dos efeitos sobre a estrutura dos nódulos, a formação de carbonetos e a tendência à formação de 
porosidades de contração em pontos quentes. É evidente a partir dos resultados que uma diferença 
pronunciada no número de nódulos e na distribuição de tamanho ocorre para os dois inoculantes. O 
novo inoculante dá aproximadamente o dobro do número de nódulos que o inoculante bearing (Zr, 
Mn, Ca), e a distribuição do tamanho do nódulo mostram uma mudança para numerosos nódulos 
menores e melhores formados. 
 A figura 4 também mostra os efeitos sobre a tendência a formação de carbonetos em seções 
muito finas, 2 a 3 mm da mesma peça. O inoculante bearing (Zr, Mn, Ca) com a sua contagem de 
nódulos mais baixa revela o aparecimento de carbonetos intercelulares, enquanto o inoculante (Ca, 
Ce, S, O) tem efetivamente eliminado os carbonetos em secções finas. Finalmente, a figura 5 mostra 
os efeitos da inoculação sobre seções críticas e difíceis de pontos quentes. A extensa região de 
microporosidades que ocorre com o inoculante bearing (Zr, Mn, Ca) foi efetivamente minimizada 
com o novoinoculante (Ca, Ce, S, O). A extensão das microporosidades (figura 5b) provou ser 
suficientemente pequena evitando superfícies ásperas internas após a furação em seções grossas 
críticas. 
Tabela 2 – Média do número de nódulos para o inoculante ferro-silício bearing (Zr, Mn, Ca) e o novo 
inoculante conceito. 
Inoculante (Zr, Mn, Ca) Novo Inoculante 
315 nódulos/mm² 602 nódulos/mm² 
 
 Conclusivamente, pode-se dizer que esta fundição está muito feliz com o desempenho do 
novo inoculante. Uma transição completa do inoculante bearing (Zr, Mn, Ca), para o inoculante (Ca, 
Ce, S, O) vem ocorrendo para a produção de ferro fundido nodular. Significativas melhorias foram 
obtidas na taxa de refugo e na qualidade final dos fundidos. A atual taxa de adição do novo 
inoculante é cerca de 25% menor do que a liga bearing (Zr, Mn, Ca) anterior, fornecendo ainda 
melhorias significativas. 
 
 
Figura 3 – Exemplos de resultados de microestrutura nos testes da fundição 1. Inoculante contendo 
(Zr, Mn, Ca), (a) condição polida, (b) atacado com nital. Novo inoculante contendo o (Ca, Ce, S, O), 
(c) condição polida, (d) atacado com nital. 
 
 
Figura 4 – Exemplos de condições de carbonetos em flange fina de 2 mm nos testes da fundição 1. 
(a) inoculante contendo (Zr, Mn, Ca) revelando carbonetos intercelulares. (b) inoculante contendo 
(Ca, Ce, S, O) mostrando microestrutura isenta de carbonetos. 
 
 
 Figura 5 – Exemplos de microporosidades em pontos quentes nos testes da fundição 1. (a) 
inoculante contendo (Zr, Mn, Ca) causando microporosidade maciça. (b) inoculante contendo (Ca, 
Ce, S, O) mostrando apenas traços de microporosidade. 
 
 
Figuras 6 – Exemplos de estruturas de nódulos de grafita em placas fundidas no teste da fundição 2. 
Seção de 5 mm: (a) inoculante contendo Sr. (b) inoculante contendo (Ca, Ce, S, O). Seção de 40 mm: 
(c) inoculante contendo Sr. (d) inoculante contendo (Ca, Ce, S, O). Ampliação 100X. 
 
 
ESTUDO DE CASO 2 
Esta fundição também utiliza forno à indução elétrica, operação de tratamento sandwich, e aqui o 
objetivo foi testar uma série de inoculantes diferentes a fim de encontrar o produto ideal para sua 
linha de moldagem DISA com vazamento automático e inoculação no jato. Os parâmetros de saída 
avaliados incluem nódulo e microestrutura, propriedades mecânicas e tendência à porosidades para 
os diferentes inoculantes. 
 Esta fundição normalmente usa inoculante ferro-silício estrôncio-bearing, e a Figura 6 mostra 
um exemplo dos efeitos da inoculação do FeSiSr e do FeSi-(Ca, Ce, S, O) sobre a estrutura final dos 
nódulo em uma placa fina de 5 mm e uma placa grossa de 40 mm de espessura na seção do fundido. 
Uma diferença notável pode ser constatada, especialmente para a placa pesada de 40 mm milímetros 
de espessura, onde o inoculante (Ca, Ce, S, O) parece resultar em um aumento muito maior na 
contagem de nódulos. A Figura 7 mostra uma comparação quantitativa da contagem de nódulos para 
os dois inoculantes em seções de 5, 10, 20 e 40 mm de espessura. O inoculante FeSiSr tem um 
comportamento típico e esperado com uma queda na contagem de nódulos de cerca de 300 para 150 
nódulos por mm² quando a espessura da seção aumenta de 5 para 40 mm. Normalmente, este 
comportamento é observado para a maioria dos inoculantes comerciais quando aumenta a espessura 
da seção. 
 O inoculante contendo (Ca, Ce, S, O) por outro lado, mostra um comportamento 
completamente diferente e muito perceptível. O histograma na figura 7 e as micrografias da figura 6, 
mostram uma contagem de nódulos pouco afetada pela variação da espessura da seção. Cerca de 300 
nódulos por mm² são medidos em ambas as seções de 5 e de 40 mm no mesmo fundido de teste. De 
fato, a seção de 40 mm contém um maior número de nódulos de 340 por mm² em comparação com 
apenas 312 por mm² para a seção mais fina 5 mm. Isto é claramente confirmado pelas micrografias 
das figuras 6b e 6d. 
 
Figura 7 – Exemplo de contagem de nódulos em placas de 5 a 40 mm de espessura fundidas nos 
testes da fundição 2 para o inoculante contendo (Ca, Ce, S, O) e o inoculante contendo estrôncio. 
 Este comportamento incomum se abre para algumas performances interessantes. Em primeiro 
lugar, é evidente que a sensibilidade à seção para peças complexas pode ser grandemente reduzida e 
a microestrutura e as propriedades controladas e equalizada para um grande intervalo na espessura da 
seção. Isso por si só pode oferecer vantagens para a produção homogênea de peças fundidas difíceis 
com exigência de propriedades em diferentes locais. Além disso, a observação de uma elevada 
contagem de nódulos em seções mais pesadas também oferece algum benefício adicional em relação 
à contração de solidificação e a tendência à porosidades de contração. 
 A figura 8 mostra exemplos de condições de porosidades em pontos quentes na seção 
transversal da barra usando três diferentes inoculantes na fundição de teste 2. Os inoculantes são um 
inoculante contendo Ba, um inoculante contendo Sr, e o novo inoculante contendo (Ca, Ce, S, O). 
Como a figura mostra, a tendência a porosidade difere grandemente para cada tipo de inoculante. 
Ambas as ligas contendo Ba e contendo Sr mostraram efeitos de contração maciça e grandes 
cavidades nos pontos quentes da seção transversal. O inoculante contendo (Ca, Ce, S, O) por outro 
lado, mostra uma eliminação quase completa da porosidade com apenas uma cavidade muito 
pequena revelada na seção de corte através da linha de divisão da peça experimental. Este efeito 
dramático sobre a tendência a porosidade pode ser diretamente relacionado com a formação dos 
nódulos e a taxa de crescimento da grafita durante toda a sequência de solidificação. 
 Como mostrado nas figuras 6 e 7, o comportamento do inoculante convencional, representado 
pelo inoculante Sr, é dar tamanho de nódulo razoavelmente uniforme e uma redução na contagem de 
nódulo quando o tamanho da seção aumenta. Com o inoculante (Ca, Ce, S, O), há um efeito 
causando uma distribuição bimodal do tamanho do nódulo e vários nódulos menores que são 
precipitados mais tarde durante solidificação. Esta expansão tardia da grafita eficazmente contraria a 
contração, como pode ser claramente visto na figura 8c para o inoculante contendo (Ca, Ce, S, O). 
Ambos os inoculantes contendo Sr e Ba resultam em baixa contagem de nódulos para seções mais 
pesadas, em torno de 200 a 220 por mm², enquanto o inoculante contendo (Ca, Ce, S, O) resulta em 
cerca de 350 nódulos por mm² para a mesma seção. 
 
Figura 8 – Exemplos de formação de porosidades de contração na seção transversal do fundido de 
teste da fundição 2. (a) inocluante contendo bário; (b) inoculante contendo estrôncio; (c) inoculante 
contendo (Ca, Ce, S, O). 
 
 
 Uma vez que este fenômeno ocorre predominantemente para seções mais pesadas, este é o 
lugar onde a distribuição de tamanho bimodal é mais claramente observada e também onde o 
controle da porosidade de contração é mais necessário. Não existe um claro entendimento dos 
mecanismos da formação tardia da grafita e o efeito resultante na distribuição bimodal dos nódulos. 
No entanto, espera-se que a introdução de cério em combinação com enxofre e oxigênio no 
inoculante, irá introduzir mais sítios de nucleação e, possivelmente também um segundo tipo de 
sítios que são ativados mais tarde durante a solidificação. Os óxidos e oxi-sulfetos de cério vão se 
comportar muito diferente dos tradicionais óxidos e silicatos de Ca, Ba, e Sr, conhecidos por nuclear 
a grafita primária nos estágios iniciais da solidificação (ver figura 1b). 
 Uma vez que este fenômeno é mais evidente em seções pesadas, é provável que este segundo 
tipo de nucleação posterior e benéfica de sítios somente mostre seus efeitos característicos em 
condições de resfriamento mais lento. Isto é, o segundo tipo de sítios de nucleação precisa de mais 
tempo para tornar-se ativo, e assim, dará seus benefíciosmáximos somente nas seções mais pesadas 
de uma peça fundida. O resultado final aparece como uma contagem de nódulos uniforme em 
diferentes seções, combinado com uma efetiva eliminação das porosidades de contração em seções 
pesadas e resfriadas lentamente. 
 A conclusão deste extensivo teste de inoculante foi que a fundição de teste 2 agora começou a 
usar o novo inoculante contendo (Ca, Ce, S, O) para toda a produção de seu ferro nodular. Grandes 
melhorias especialmente na redução da porosidade de contração têm sido experimentadas e a taxa de 
adição de inoculante também reduziu a um mínimo. 
 
ESTUDO DE CASO 3 
 O terceiro estudo de caso representa uma fundição produzindo muito pesadas peças de ferro 
fundido nodular. A fusão à indução e o tratamento tundish cover também é aplicado aqui. Neste 
caso, a fundição sofre dos problemas clássicos na fundição de seções pesadas, tais como flotação da 
grafita, segregação, porosidade de contração e nodularidade relativamente baixa. A fundição utiliza 
inoculação manual na transferência para grandes panelas de vazamento, e o material do inoculante 
atual aplicado é uma liga de ferro-silício contendo bário. Inoculantes contendo bário são 
tradicionalmente recomendados para aplicações em fundidos pesados e resfriamento lento, uma vez 
que o Ba é reconhecido por sua mínima tendência ao desvanecimento (fading) durante prolongados 
tempos de espera e de solidificação. O novo inoculante (Ca, Ce, S, O) foi testado em paralelo ao 
inoculante contendo Ba como uma adição na panela, e os efeitos sobre a usinabilidade, a 
microestrutura e a tendência a porosidade de contração foi avaliada. 
 A Figura 9 mostra exemplos de microestruturas típicas obtidas com os dois inoculantes 
diferentes em uma seção razoavelmente pesada de 50 mm. O inoculante Ba mostra os nódulos 
esperados relativamente grandes e de tamanho uniforme em uma matriz ferrítica/perlítica (ver figuras 
9a e 9b). O inoculante (Ca, Ce, S, O), por outro lado, mostra uma distribuição muito mais ampla de 
tamanhos de nódulos, e o efeito característico da distribuição bimodal mais uma vez é claramente 
revelado. As Figuras 9c e 9d mostram o efeito do inoculante (Ca, Ce, S, O) sobre a distribuição dos 
nódulos e a relação ferrita/perlita. A Tabela 3 também apresenta os dados microestruturais 
quantificados para os dois inoculantes respectivos nesta aplicação de seção pesada. 
 
 
 
Figura 9 – Exemplos de microestruturas em peças de seções pesadas na fundição de teste 3. 
Inoculante contendo bário: (a) condição polida; (b) atacada em nital. Inoculante (Ca, Ce, S, O): (c) 
condição polida; (d) atacada em nital. 
 
Tabela 3 – Efeitos dos inoculantes contendo Ba e contendo (Ca, Ce, S, O) sobre as características 
microestruturais de peças com seções pesadas na fundição de teste 3. 
 Nódulos/mm² Nodularidade 
(%) 
Perlita 
(%) 
Tendencia à 
porosidade 
Usinabilida
de Relativa 
Inoc. Ba 187 80 25 Significativa Média 
Inoc.(Ca, Ce, S, O) 357 90 13 Muita baixa Boa 
 
 
 A partir da figura 9 e da tabela 3, fica evidente que o impacto da seção pesada sobre a 
microestrutura para o inoculante (Ca, Ce, S, O) é significativo. O efeito da distribuição bimodal dos 
nódulos foi mais efetivo para minimizar a formação de grandes e maciças porosidades de contração 
em peças grandes. A formação de nódulos menores também resultou em uma melhoria geral de 10% 
no nodularidade de cerca de 80 para 90%. Além disso, a figura 9b contra a figura 9d mostra 
claramente uma redução significativa na perlita intercelular com o novo inoculante. A redução é 
quantificada de 25% para cerca de 13% de perlita. A rede interligada de perlita, com 25% ou mais de 
perlita, é quebrada restando apenas fragmentos menores de perlita numa matriz predominantemente 
ferrítica. Isto é mais uma vez devido aos numerosos nódulos pequenos provenientes das regiões 
intercelulares segregadas, agindo como sumidouros de carbono durante a transformação eutetóide. 
Aumentar a contagem de nódulos por um aumento geral na quantidade de nódulos maiores formados 
primariamente, normalmente não vai influenciar a proporção de perlita na mesma extensão grande. 
Isto é porque os padrões e perfis de segregação ainda permanecem os mesmos. Quando o tamanho 
dos grãos dos nódulos estão incluídos, isto terá um efeito pronunciado sobre a expulsão do carbono 
da matriz, reduzindo efetivamente assim o risco de fenômenos nocivos de segregação e formação de 
carbonetos intercelulares, fosfetos, e outros microcomponentes indesejados. A melhoria geral nas 
propriedades de tração e de impacto também foram experimentadas com a distribuição bimodal e 
distribuição homogênea dos nódulos. Além disso, uma melhor vida de ferramenta durante a 
usinagem de até 50% foi experimentada com esta nova situação. 
 
ESTUDO DE CASO 4 
 O último estudo de caso incluído aqui é de uma fundição automotiva usando fusão a indução 
elétrica e tratamento com magnésio pelo processo sandwich. A moldagem é feita sobre as linhas 
BMD e DISA, com vazamento automático através de unidades “Junker”. A pós-inoculação no jato é 
aplicada em todas as linhas de vazamento, e tipicamente inoculantes do tipo zircônio-bearing são 
aplicados. A fundição está sofrendo de alguns problemas graves de contração, e o tipo de contração 
pode ser descrito como cavidades "maciças" em seções críticas. Extensiva massalotagem foi 
implementada para tentar superar os problemas, mas ainda grandes cavidades de contração são 
encontradas podendo ocorrer até mesmo adjacente aos massalotes. 
 O novo inoculante utilizando uma liga FeSi-bearing (Ca, Ce, S, O) foi testado na linha DISA 
para um modelo especial de ensaio envolvendo um provete cúbico ligado a um massalote 
relativamente grande. O cubo e o massalote foram cortados ao meio, e avaliados pelo grau de 
formação de porosidade e pela distribuição das cavidades no fundido de teste e no massalote. 
 As figuras 10 e 11 mostram exemplos de peças de teste cortadas ao meio para avaliação das 
porosidades. Os exemplos comparam dois diferentes inoculantes contendo zircônio, um do tipo (Zr, 
Mn, Ca) e um do tipo (Zr, Ca), ao novo inoculante (Ca, Ce, S, O). A figura 10 mostra as condições 
para os três inoculantes, onde o tipo (Zr, Mn, Ca) à esquerda revela um grande aglomerado de micro 
porosidades no corpo do cubo de teste. O massalote está virtualmente sólido. O inoculante (Zr, Ca) 
no centro mostra uma grande cavidade no e outra no pescoço do massalote, enquanto que o 
inoculante (Ca, Ce, S, O) à direita, mostra apenas uma porosidade muito pequena no cubo de teste. 
 As condições mostradas na figura 11 comparam o inoculante (Zr, Ca) ao inoculante (Ca, Ce, 
S, O). A peça de teste para o inoculante (Zr, Ca) à esquerda novamente mostra porosidades maciças 
no cubo e porosidades ainda bastante difundidas também no massalote. O inoculante (Ca, Ce, S, O) à 
direita empurrou todo vazio da contração para o topo do massalote, deixando o parte inferior do 
massalote e o cubo fundido completamente isento de porosidades. 
 A fundição resolveu um problema grave de porosidade usando o novo inoculante. A 
conversão completa do inoculante Zr-bearing para o inoculante (Ca, Ce, S, O) foi implementada 
neste fundição. 
 Existem muitos outros casos que mostram melhorias semelhantes em situação de 
coquilhamento, estrutura dos nódulos e tendência a formação de porosidades utilizando o novo 
inoculante contendo (Ca, Ce, S, O). Contudo, devido às limitações de espaço, o presente artigo é 
restrito a cobrir apenas uma parte selecionada das situações clássicas experimentadas em condições 
de peças fundidas pequenas e finas e peças fundidas pesadas e grossas. Como mostrado acima, os 
efeitos encontram-se mais pronunciados para a contagem de nódulos e a distribuição de tamanho, 
bem como para a redução de carbonetos e o controle de porosidades. Outras fundições também 
relataram grandes melhorias nas condiçõesde usinabilidade, e uma de fundição até mesmo eliminou 
a sua operação de tratamento térmico após a mudança do inoculante. O dobroda vida útil da 
ferramenta para a metade da taxa de adição de inoculante contra o inoculante FeSi Ca-bearing 
também foi relatada. Algumas fundições relatam um aumento na resistência à tração mesmo com um 
aumento significativo no teor de ferrita. 
 
 
 
Figura 10 – Exemplo do cubo de teste com o massalote ligado na fundição de teste 4. Os inoculantes 
testados foram: esquerda (Ca, Mn, Zr)-bearing. Centro (Ca, Zr)-bearing. Direita (Ca,Ce, S, O). 
 
 Este trabalho mostra acima de tudo que a escolha do material de inoculante não é uma coisa 
trivial, e que diferentes inoculantes comerciais podem ter efeitos dramáticos sobre a qualidade final 
de ferro nodular. É importante ter em mente, que às vezes o mínimo esperado do inoculante é, na 
realidade, somente melhorar o desempenho. O teste de fundição sistemático e totalmente controlado 
será o único meio robusto e seguro para garantir que a melhor relação de custo efetivo do inoculante 
alternativo está sendo utilizado numa determinada fundição. Existem muitos fatores desconhecidos e 
incontroláveis que afetam a inoculação para dar uma recomendação geral e, no final das contas, 
testes para resolver os desafios específicos será a única maneira segura de encontrar a solução do 
inoculante otimizado ou melhorado. 
 Ao se testar inoculantes em ferro fundido é sempre importante não só para olhar uma 
micrografia rapidamente. Muitos efeitos atraentes podem, então, ser supervisionados. Uma avaliação 
completa de todos os fatores acima discutidos deve ser considerada, uma vez que grande economia 
pode ser alcançada na redução da taxa de refugo a partir de porosidades, estruturas irregulares, 
usinabilidade, ou até mesmo propriedades resistência à tração e ao impacto. 
 
 
Figura 11 – Exemplo do cubo de teste da fundição 4. Os inoculantes testados foram: Esquerda (Ca, 
Zr)-bearing. Direita (Ca, Ce, S, O). As áreas circuladas evidenciam as diferenças na distribuição das 
cavidades de contração para os dois inoculantes. 
 
 
CONCLUSÕES 
 As seguintes conclusões principais podem ser tiradas a partir da presente investigação: 
 
• Uma nova abordagem de projeto de inoculante para o ferro nodular foi descrita. O novo projeto tem 
sido bem sucedido em melhorar o desempenho e as propriedades de peças fundias. O novo material 
inoculante com base na liga ferro-silício contém níveis de cálcio e cério que são ajustados para 
minimizar a formação de coquilhamento e neutralizar elementos residuais subversivos no ferro. 
 
• O projeto do novo inoculante também contém pequenas quantidades controladas de enxofre e 
oxigênio de uma forma que os torna disponíveis para a reação com o cálcio e o cério durante a 
introdução no ferro líquido. A composição especial é projetada para dar condições de nucleação 
altamente poderosa da grafita em ferros nodulares juntamente com muito eficaz redução de 
coquilhamento e porosidades de contração. 
• As experiências das fundições de teste provaram que o novo inoculante é especialmente eficaz na 
reinstalação de condições de poderosa inoculação em ferros de natureza "morta". Além disso, a 
eficácia especial em minimizar porosidades de contração em seções complicadas de ponto quente 
também foi observada. 
 
• A novo inoculante contendo (Ca, Ce, S, O) também reduz a sensibilidade à seção na estrutura dos 
nódulos em peças fundidas de espessura variável. A distribuição bimodal de tamanho de nódulos de 
grafita é frequentemente observada. Esta distribuição de nódulos é fundamental para minimizar 
porosidades e a formação de perlita e carbonetos intercelulares. 
 
 
REFERÊNCIAS 
 
Bilek, P. J., Dong, J. M., McCluhan, T. K., “The Role of Ca and Al in Inoculation of Gray Iron”, 
AFS Transactions, pp.183 – 188, (1972). 
Chisamera, M., Riposan, I., “Proc. 5th Int. Symp. On the Physical Metallurgy of Cast Iro, Nancy, 
France, Sept. (1994). 
Kozlov, L. J., Vorobyev, A. P., “ The Role of Rare Earth Metals in the Process of Spheroidal 
Graphite Formation”, Cast Metals, vol. 4, nº 1, (1991). 
Lalich, M. J., Hitchings, J. R., “Characterization of Inclusions as Nuclei for Spheroidal Graphite in 
Ductile Cast Iron”, Cast Metals, AFS Transactions, pp.653 – 664, (1976). 
Mercier, J. C., Paton, R., Margerie, C., “Inclusions Dans les Spheroides de Graphite”, Fonderie, 
April (1969). 
Nakae, H., Koizumi, H., Takai, K., Okaushi, K., “Nucleation of Graphite in Inoculated Cast Iron”, 
Trans. Japan Foundrymen’s Society, vol. 11, pp.34 – 39, (1992). 
Park, J., Loper, C. R., “Neutralizing of Lead in Gray Iron Melts Using Misch Metal”, AFS 
Transactions, (2000). 
Podrzucki, C., Fras, E., Lopez, H. F., “The Inoculation of Cast Iron: Role of Oxygen”, AFS 
Transactions, (2000). 
Skaland, T., “A Model for the Graphite Formation in Ductile Cast Iron”, PhD. Thesis 1992:33, The 
University of Trondhein, NTH, Department of Metallurgy, Norway, (1992). 
Tartera, J., “ Cast Iron Inoculation Mechanisms”, AFS Int. Cast Metals J., pp.7 – 14, December 
(1980). 
Udomon, U. H., Loper, C. R., “Comments Concerning the Interaction of Rare Earths with 
Subversive Elements in Cast Irons”, AFS Transactions, pp.519 – 522, (1985). 
Warrick, R. J., “Spheroidal graphite Nuclei in Rare Earth and Magnesium Inoculated Irons”, AFS 
Cast Metals Research J., pp.97 – 108, Sept., (1966).