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Processamento e Manufatura de Metais 1
Prof. Dr. Lucas Freitas BertiEngenharia de Materiais - UTFPR
lenberti@gmail.com
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Aula 7
Nucleação
29/05/2013
Processamento e Manufatura de Metais 1
Presença
Cobrança da presença
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Processamento e Manufatura de Metais 1
Sumário da aula
Alto-forno;
Conversores;
Ligotamento contínuo.
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Ementa
Processamento e Manufatura de Metais 1
Coqueificação
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Planta de coqueificação
▫ vídeo
Processamento e Manufatura de Metais 1
Alto-forno
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Processamento e Manufatura de Metais 1
Alto-forno
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Cadinho – é a parte mais baixa do alto-forno. Sua função é coletar o gusa e, por cima deste, a escória à medida que se forma.
Rampa – está colocada sobre o cadinho e tem a forma tronco-cônica. É a zona de fusão dos materiais.
Processamento e Manufatura de Metais 1
Alto-forno
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Ventre – região cilíndrica sobre a rampa. Em alguns altos-fornos não há ventre, a rampa une-se diretamente à cuba.
Cuba – tem a forma de uma grande seção tronco-cônica, com a base maior apoiada sobre o ventre (ou o cadinho).
Processamento e Manufatura de Metais 1
Alto-forno
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Goela – é a parte que está
localizada acima da cuba.
É revestida internamente
de placas de desgastes
que protegem o refratário
do impacto da carga
durante o enfornamento.
Processamento e Manufatura de Metais 1
Alto-forno
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Topo – está localizado na parte superior do forno, onde se localizam os dispositivos de carregamento (cone grande, cone pequeno, distribuidor, dutos de gás, portas de explosão, sangradouros) e as plataformas de acesso a todos esses equipamentos.
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Minério
Coque
Zona
Granular
Zona
de Amolecimento
e Fusão
Zona
de Coque Ativa
Camada
em Amolecimento
e Fusão
Zona
de Combustão
Cadinho
Zona de
Gotejamento
Zona
de Coque
Estagnado
Alto-forno
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Ventaneiras – está localizada a 1/3 do cadinho. Seu número depende do diâmetro do forno. São feitas de cobre eletrolítico. Como estão expostas as temperaturas mais altas utiliza-se água de caldeira em recirculação para sua refrigeração. É pelas ventaneiras que é insuflado o ar pré-aquecido para a queima do combustível, a fim de fornecer calor às reações químicas e fusão do ferro.
Processamento e Manufatura de Metais 1
Alto-forno
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Carga em camadas
▫ Minério de ferro;
▫ Coque;
▫ Fundente.
Vídeo
SILVA, Andre Luiz da Costa e; MEI, Paulo Roberto. Aços e ligas especiais. 2. ed. São Paulo: Edgard Blücher, 2006. 646 p. : CD-ROM ISBN 8521203829
Processamento e Manufatura de Metais 1
Alto-forno
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Fornos modernos
▫ Carvão vegetal;
▫ Óleo;
▫ Coque pulverizado.
Ventaneiras
SILVA, Andre Luiz da Costa e; MEI, Paulo Roberto. Aços e ligas especiais. 2. ed. São Paulo: Edgard Blücher, 2006. 646 p. : CD-ROM ISBN 8521203829
Processamento e Manufatura de Metais 1
Alto-forno
Reator químico que envolve três fases em
contracorrente de gás.
▫ Permeabilidade (importante fator)
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Processamento e Manufatura de Metais 1
Alto-forno
Carga do forno;
▫ 1610 kg de minério (73% sinter, 5% pelotas e minério)
▫ 506 kg de redutor (381 kg coque, 125 kg carvão pulv)
▫ 250 kg de calcário (complementar ao minério)
▫ 1,8 a 2,0 ton de ar
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Alto-forno
Rendimento;
▫ 1 tonelada de gusa;
▫ 0,2-0,4 ton de escória;
▫ 2,5-3,5 ton de gás de auto-forno
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Processamento e Manufatura de Metais 1
Alto-forno
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Processamento e Manufatura de Metais 1
Alto-forno
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Processamento e Manufatura de Metais 1
Alto-forno
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Processamento e Manufatura de Metais 1
Alto-forno
20
Processamento e Manufatura de Metais 1
Alto-forno
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Processamento e Manufatura de Metais 1
Alto-forno
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Acomodação da carga
▫ vídeo
Processamento e Manufatura de Metais 1
CST
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Obras de expansão
▫ vídeo
Processamento e Manufatura de Metais 1
Lingotamento
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Processamento e Manufatura de Metais 1
Lingotamento
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Processamento e Manufatura de Metais 1
Ligotamento contínuo
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LTQ
▫ vídeo
Processamento e Manufatura de Metais 1
Lingotamento contínuo
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Processamento e Manufatura de Metais 1
Produção aço
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Vários processos
▫ vídeo
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Conversores
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Tipos de conversores
▫ LD (BOF)
▫ Q-BOP (sopro sub)
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Conversores
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LD (BOF)
▫ Linz-Donawitz ou
Basic Oxygen Furnace
Sopro por cima
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Conversores
Q-BOP (sopro submerso)
▫ Agita mais vigorosamente o metal
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Processamento e Manufatura de Metais 1
Conversores
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Processamento e Manufatura de Metais 1
Conversores
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Processamento e Manufatura de Metais 1
Conversores
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Processamento e Manufatura de Metais 1
Conversores
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Carregamento com o
gusa
▫ vídeo
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Conversores
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Vários processos
▫ vídeo
Processamento e Manufatura de Metais 1
Aciaria
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Refino e conformação
do aço
▫ vídeo
Processamento e Manufatura de Metais 1
Siderurgia completa
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AK steel
▫ vídeo
Processamento e Manufatura de Metais 1
Forno elétrico
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Processamento e Manufatura de Metais 1
Desenvolvimentos
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Processamento e Manufatura de Metais 1
Solidificação
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Processamento e Manufatura de Metais 1
Solidificação
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Processamento e Manufatura de Metais 1
Solidificação
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Processamento e Manufatura de Metais 1
Sumário aula
Nucleação.
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Ementa
Processamento e Manufatura de Metais 1
Nucleação
Nucleação homogênea
Nucleação heterogênea
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Processamento e Manufatura de Metais 1
Nucleação
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Nucleação homogênea
▫ Sem a presença de
meios “auxiliares”
Processamento e Manufatura de Metais 1
Nucleação
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Nucleação heterogênea
▫ Superfícies;
▫ Inclusões;
▫ Meios que auxiliam a
nucleação
Processamento e Manufatura de Metais 1
Nucleação
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L
G2=G1+ΔG
S
↓ΔT
L
G1
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Nucleação
L
G2=G1+ΔG
↓ΔT
L
G1
Processamento e Manufatura de Metais 1
Nucleação homogênea
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Processamento e Manufatura de Metais 1
Nucleação homogênea
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Processamento e Manufatura de Metais 1
Nucleação homogênea
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Processamento e Manufatura de Metais 1
Nucleação homogênea
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Processamento e Manufatura de Metais 1
Nucleação homogênea
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Processamento e Manufatura de Metais 1
Nucleação homogênea
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ΔGhom=4πr³ΔGv/3+4πr²γsl
r*=-2γsl/ΔGv
ΔG*=16πγ³/3ΔGv²
ΔG= ΔH-TΔS=0 ΔS= Hls/Tm em Tm
ΔG=Hls+THls/Tm ΔG=HlsΔT/Tm
r*=-2γslTm/HlsΔT
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Nucleação homogênea
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r*=-2γslTm/HlsΔT
Processamento e Manufatura de Metais 1
Nucleação homogênea
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Processamento e Manufatura de Metais 1
Nucleação homogênea
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Processamento e Manufatura de Metais 1
Nucleação heterogênea
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Nucleação heterogênea
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ΔGhet=-Vs ΔGv+ASL γSL+ASM γSM -ASM γML
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Nucleação heterogênea
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ΔGhet=-VsΔGv+ASLγSL+ASMγSM-ASMγML
ASL= 2πr²(1-cosθ);
ASM= πr²sen²θ;
Vs =πr³(2+cosθ)(1-cosθ)²/3
(2-3cosθ+ cos³θ)=(2+cosθ)(1- cosθ)²
Provar que
ΔGhet= ΔGhomf(θ).
Processamento e Manufatura de Metais 1
Nucleação heterogênea
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f(θ)=1/4(2-3cosθ+cos³θ)
0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180
0,00
0,25
0,50
0,75
1,00
f()
Ângulo (°)
f()
Processamento e Manufatura de Metais 1
Homogênea vs heterogênea
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Nucleação heterogênea
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Nucleação heterogênea
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Processamento e Manufatura de Metais 1
Solidificação
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Processamento e Manufatura de Metais 1
Solidificação
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Processamento e Manufatura de Metais 1
Solidificação
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Processamento e Manufatura de Metais 1
Solidificação
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Falta de
homogeneização
composicional do
sólido;
Sólido “zonado”,
(zonado);
Processamento e Manufatura de Metais 1
Solidificação
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Solidificação
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Processamento e Manufatura de Metais 1
Solidificação
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A morfologia depende
da taxa de resfriamento
e do superesfriamento
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Solidificação
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Processamento e Manufatura de Metais 1
Solidificação
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Regiões de
segregação em uma
ligoteira
Processamento e Manufatura de Metais 1
Solidificação
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Processamento e Manufatura de Metais 1
Solidificação
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Processamento e Manufatura de Metais 1
Salvo raríssimas exceções todos os produtos
metálicos passam necessariamente pela solidificação
em algum estágio de sua obtenção.
É na fundição de metais que a solidificação
encontra seu mais vasto campo de aplicação
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Fundição
ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
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Fundição
ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Na fundição, a solidificação do metal ocorre,
geralmente, em poucos segundos.
É um tempo muito breve no processo produtivo de
uma peça, mas é o “coração” do processo.
Se estes poucos segundos de solidificação não
forem bem controlados eventuais defeitos de
fabricação podem surgir inviabilizando a
utilização da peça produzida
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Fundição
ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Um material metálico ao passar do estado líquido
para o estado sólido (e vice-versa) sofre uma
drástica mudança de viscosidade
Ao se fundir os materiais metálicos têm sua
viscosidade aumentada em aproximadamente
100.000.000.000.000.000.000x
(cem quinqualhões de vezes)
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Fundição
ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Na solidificação de um metal tem-se a formação de,
geralmente, vários núcleos cristalinos envolvidos
em um líquido que possui natureza amorfa.
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Fundição
ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Núcleo atomicamente
ordenado (cristal)
Líquido atomicamente
desordenado (amorfo)
Liq.
Liq. Liquido
+
Sólido Sólido
T (ºC)
TfΔT
Subresfriamento
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Fundição
ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Nucleação Homogênea – o núcleo sólido “nasce”
totalmente a partir do líquido
Nucleação Heterogênea – o núcleo sólido “nasce” em
contato com uma superfície sólida
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Fundição
ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Nucleação homogênea
▫ Na nucleação homogênea é necessário um
subresfriamento térmico para se estabilizar um ou
mais núcleos e então a partir dele(s) ocorrer
a solidificação
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Fundição
ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Subresfriamento necessário para nucleação
homogênea de alguns materiais
Material Pb Ag Cu Ni Fe H2O
Temp. de Fusão (oC) 327 962 1085 1453 1536 0
Subresfriamento (oC) 80 250 236 480 420 40
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Fundição
ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Crescimento da fase sólida – Uniforme
Sólido
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Fundição
ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Crescimento da fase sólida – Colunar
Sólido
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Fundição
ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Crescimento da fase sólida –
Dendrítico
Sólido
Dendritas
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Fundição
ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Crescimento da fase sólida metal puro
Sólido + líquido Sólido + líquido Sólido + líquido 100% sólido
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Fundição
ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Aluminio super-puro
Revela microestrutura de grãos alfa equiaxiais
Fonte: G.F Van der Voort. Microstructre of nonferrous alloys (2002)
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Fundição
ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Liga de alumínio 1100 (>99%Al)
Revela microestrutura de solidificação dendrítica
Fonte: G.F Van der Voort. Microstructre of nonferrous alloys (2002)
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Fundição
ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Crescimento da fase sólida ligas
Liga de alumínio 3105 (Al – 0.55% Mn – 0.5% Mg)
Revela precipitados intermetálicos formados no estágio final da fusão
Fonte: G.F Van der Voort. Microstructre of nonferrous alloys (2002)
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Fundição
ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Crescimento da fase sólida ligas
Liga de alumínio hipoeutética (Al – 11.8% Si)
Dendritas alfa e um eutético alfa-Si.
Fonte: G.F Van der Voort. Microstructre of nonferrous alloys (2002)
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Fundição
ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Material metálico no
estado líquido a uma
temperatura acima da
temperatura de
solidificação
Atingindo-se a temperatura de
solidificação, tem-se o
surgimento de núcleos
nas paredes do molde
Nucleação heterogênea
Núcleos
Devido ao forte subresfriamento
formam-se vários núcleos
heterogêneos em contato com a
superfície do molde gerando
grãos pequenos e equiaxiais
Grãos coquilhados
Após a formação da região
coquilhada o material se
solidifica sob a ação de um
pequeno subresfriamento
crescendo segundo a direção
da extração de calor
Nucleação heterogênea
Grãos colunares
Após a formação da região de
grãos colunares o material se
solidifica formando grãos
grandes equiaxiais
Grãos equiaxiais
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Fundição
ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Desenvolvimento da macroestrutura da solidificação
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Fundição
ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Desenvolvimento da macroestrutura da solidificação
Região Coquilhada Grãos colunares
Grãos
Equiaxiais
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Fundição
ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Desenvolvimento da macroestrutura da solidificação
Pode-se obter macroestruturas diversas fazendo-se o controle adequado do processo
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Fundição
ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Desenvolvimento da macroestrutura da solidificação
▫ Para a grande maioria das aplicações dos metais
busca-se otimizar as propriedades mecânicas
e tecnológicas através de uma microestrutura
de grãos refinados.
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Fundição
ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Desenvolvimento da macroestrutura da solidificação
▫ Na fundição isto pode ser obtido através do
controle das variáveis de processo que propiciem
um máximo subresfriamento (uso de moldes metálicos,
resfriadores, etc.).
▫ O máximo de eficácia é atingindo usando-se
INOCULANTES
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Fundição
ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Desenvolvimento da macroestrutura da solidificação
▫ Inoculante é um pó geralmente fino de um
material covenientemente escolhido (dependendo da
liga a ser fundida) depositado no estado sólido no metal
ainda líquido fornecendo superfície para a nucleação
heterogênea
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Fundição
ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Desenvolvimento da macroestrutura da solidificação
▫ Favorece o surgimento de maior número de núcleos.
Dependendo de sua dispersão, reduz o efeito da
formação de macroestrutura de fundição
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Fundição
ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Desenvolvimento da macroestrutura da solidificação
▫ Utilizando inoculantes aço ferrítico (Fe-Si)
sem com
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103
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