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Adalberto Bierrembach de Souza Santos Membro e conselheiro da ABM, engenheiro Metalurgista, Mestre em engenharia Metalúrgica e doutor em engenharia. Diretor da Metal Consult – Joinville, SC. DROSSES EM FERRO FUNDIDO NODULAR. (Contribuição Técnica a ser apresentado ao XLIII Congresso Anual da ABM – Rio de Janeiro, RJ – 25 a 28 de julho de 1993). RESUMO. Apresenta-se uma revisão referente a ocorrência de drosses em ferro fundido nodular, caracterizando-se esse defeito e mostrando-se a classificação dos diferentes tipos. São examinados os efeitos da temperatura, carga metálica, carbono equivalente, teor de enxofre, tratamento de nodulização e inoculação, sistema de canais e materiais de moldagem na tendência à formação de drosses. Mencionam-se as principais recomendações para se evitar a formação de drosses em peças de ferro fundido nodular.

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Adalberto Bierrembach de Souza Santos

Membro e conselheiro da ABM, engenheiro Metalurgista, Mestre em engenharia Metalúrgica e doutor em engenharia.

Diretor da Metal Consult – Joinville, SC.

DROSSES EM FERRO FUNDIDO NODULAR. (Contribuição Técnica a ser apresentado ao XLIII Congresso Anual

da ABM – Rio de Janeiro, RJ – 25 a 28 de julho de 1993).

RESUMO. Apresenta-se uma revisão referente a ocorrência de drosses em ferro fundido nodular,

caracterizando-se esse defeito e mostrando-se a classificação dos diferentes tipos. São examinados os efeitos da temperatura, carga metálica, carbono equivalente, teor

de enxofre, tratamento de nodulização e inoculação, sistema de canais e materiais de moldagem na tendência à formação de drosses.

Mencionam-se as principais recomendações para se evitar a formação de drosses em peças de ferro fundido nodular.

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1. CARACTERIZAÇÃO DO DEFEITO DE DROSSES.

O defeito de drosses em peças de ferro fundido nodular é definido pela presença de inclusões de óxido e sulfetos complexos que contém magnésio.

No tratamento de nodulização de ferros fundidos efetua-se a adição de elementos que promovem o crescimento esferoidal da grafita durante a solidificação, sendo o magnésio o mais utilizado industrialmente. Esse elemento pode ser adicionado a ferro fundido na forma metálica (processo Pont’a Mousson, conversor, panela ou câmara de pressão e injeção do metal granulado ou em arames recobertos por aço), de ligas Fe-Si-Mg ou Ni-Mg, que podem também conter silício e ferro (processo simples transferência, sanduíche, imersão por sino, panela com tampa dotada de orifício afunilado – “tundish cover”, nodulização no molde – “in mold”, “vortex”, “TIP” e “T-Knock”), ou ainda de produtos nodulizantes, como o coque impregnado de magnésio ou briquetes contendo magnésio e produtos refratários ou cavacos de aço ou de ferro (processos panela dotada de grelha, imersão por sino e panela rotativa) (1-5).

Durante a reação de nodulização ocorre a formação de produtos de desoxidação e dessulfuração. Esses produtos são removidos após o término da reação, mas prossegue a perda de magnésio por volatilização, desoxidação e dessulfuração (1-5). Nas etapas posteriores do processo de fabricação, correspondentes à inoculação e ao vazamento, e ainda durante o preenchimento dos moldes, pode haver a formação de drosses.

Se esses produtos de desoxidação e dessulfuração forem arrastados pelo metal líquido até a peça, ocorrerá o defeito de drosses, que é mostrado nas figuras 1 e 2.

Geralmente esse defeito é constatado na superfície superior das peças, podendo estar

situado também em regiões internas, logo abaixo da superfície, e em paredes laterais, quando a incidência é mais pronunciada. Constata-se ainda, em alguns casos, que os drosses distribuem-se de maneira mais ou menos uniforme ao longo de uma fina camada superficial, geralmente na parte superior dos moldes.

Em situações mais críticas o defeito está associado a bolhas de gás (6), podendo ser observado após a limpeza da superfície da peça por jateamento de granalha. O defeito ás vezes só é constatado após ter-se efetuado a usinagem dos componentes e há ainda outras formas de incidência de drosses de identificação mais difícil, quando se situam em regiões internas, constituindo de dispersão de pequenas partículas de grafita e inclusões.

Figura 1 – Girabrequim de automóvel. Presença de drosses (1).

Figura 2 – Placa de apoio para fixação de trilho ferroviário. Presença de drosses (1).

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A formação de drosses em ferro fundido nodular pode ocorrer, portanto, desde a reação de nodulização até que se complete o vazamento das peças fabricadas. Dessa forma a ocorrência de drosses pode se verificar na panela de nodulização, na transferência para a panela de vazamento, quando se efetua a inoculação, nessa panela durante o esfriamento, no vazamento dos moldes, no sistema de alimentação das peças, ou ainda na própria cavidade dos moldes.

2. CLASSIFICAÇÃO DE DROSSES.

Os drosses em ferro fundido nodular podem ser classificados em três diferentes tipos (7,8).

O primeiro é o de inclusões grandes, situadas na superfície da peça ou junto a essa região. Essa forma de drosses pode conter inclusões formadas após os tratamentos de metal líquido (nodulização e inoculação) que não foram removidas antes do vazamento. O uso de panelas com bico chaleira é, em geral, eficiente para se evitar esse tipo de defeito (7).

A figura 3 apresenta drosses do tipo I, caracterizados pela presença de umas inclusões grandes, com diferentes fases, que contém regiões de ferro fundido circundadas por essa inclusão. Esses drosses possuem muitos componentes também constatados em inclusões que são removidas da panela de vazamento.

Figura 3 – Drosses do tipo I. Observa-se grande inclusão contendo várias fases 250 X. (7).

O segundo tipo de drosses apresenta-se na forma de estrias, estando geralmente associado a formas degeneradas de grafita, em especial à grafita explodida. Essas estrias de inclusões são encontradas logo abaixo da superfície superior das peças.

As figuras 4 a 6 evidenciam drosses do tipo II.

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Figura 6 – Drosses do tipo II, 500 X. ampliação da figura 5. Presença de grafita explodida e partículas de drosses. (7).

O terceiro tipo é de drosses finos que, em decorrência de seu menor tamanho, não se separam na região superior do molde, sendo por esta razão encontrada de maneiras mais distribuídas ao longo da peça.

Os drosses do tipo III, mostrados nas figuras 7 e 8, são, portanto identificados por sua fina estrutura, observando-se a presença de nódulos degenerados de grafita nas proximidades dessas inclusões.

Na superfície superior de peças espessas de ferro fundido nodular formar-se-ia uma estrutura esfoliada de drosses, na forma de flocos (9).

Figura 5 – Drosses do tipo II, 100 X. Ocorrência de estrias em ferro fundido tratado com liga Fe-Si-Mg-Ce. (7)

Figura 4 – Drosses do tipo II, 100 X. Observa-se a degenerescência da grafita nodular junto às estrias de drosses. (7)

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A figura 9 apresenta o aspecto desse defeito, enquanto a figura 10 evidencia a microestrutura correspondente, apresentando semelhança com drosses tipo II, mas com maior intensidade de ocorrência.

A peça em questão era de 25 t, consistindo de um componente de moinho,

apresentando um flange com espessura máxima de 162 mm, tendo sido vazada durante 2 min. e 35 s, com temperatura situando-se durante o vazamento, entre 1375 e 1360°C (9).

O defeito ocorreu na região superior na superfície oposta a em que se utilizou uma coquilha para promover solidificação mais rápida da peça, não se constatando porosidade associadas.

O mecanismo de formação desse tipo de drosses dever-se-ia a evolução de gases durante a solidificação. As bolhas de gás arrastariam uma camada de drosses e os nódulos de grafita situados na proximidade desse defeito. A ruptura dessas bolhas e a solidificação subseqüente resultariam na formação de drosses esfoliados. A evolução de gases seria decorrente da umidade presente na tinta utilizada na coquilha (9).

Figura 10 – Microestrutura de drosses esfoliados, Nital 2%. (9).

Figura 9 – Drosses esfoliados em ferro fundido nodular. (9).

Figura 7 – Drosses do tipo III, 100 X. Região inferior de uma peça de elevado carbono equivalente tratado com liga Fe-Si-Mg. (7).

Figura 8 – Drosses do tipo III, 250 X. A fina estrutura de inclusão está associada a formas degeneradas de grafita. (7).

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3. CONSTITUIÇÃO DE DROSSES EM FERRO FUNDIDO NODULAR.

Exames de microssonda evidenciam presença de elevados teores de silício e magnésio em partículas de drosses, como se pode observar nas figuras 11 a 13. A determinação quantitativa das concentrações desses dois elementos correspondeu a da forsterita (2MgO.SiO2) (7).

Trojan et al (70 realizaram também análise por difração de raios-x de amostras de

drosses retiradas de panelas de vazamento e de experiências de resfriamento em cadinho de banhos de ferro fundido após ter-se efetuado os tratamentos de nodulização e inoculação. Verificou-se que na maioria dos drosses havia presença de MgO, forsterita (2MgO.SiO2) w faialita ( 2FeO.SiO2), havendo ainda a presença de ferro na forsterita e de magnésio na

Figura 13 – imagem de Raios-X de magnésio referente a área apresentada na figura 11. Observa-se elevada concentração desse elemento na partícula de drosses, 500 X. (7).

Figura 11 – Imagem de composição em exame por microssonda de drosses em ferro fundido nodular, 500 X. (7).

Figura 12 – Imagem de Raios-X de silício – Área da figura 11. Elevada contração desse elemento na partícula de drosses, 500 X. (7).

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faialita, o que sugere que as indicações mais precisas desses componentes presentes nos drosses seriam 2 (Mg, Fe)o.SiO2 e 2(Fe, Mg)o. SiO2(7).

Além desses três componentes principais os drosses de ferros fundidos nodulares conteriam ainda MgO.SiO2. MgS, óxidos de ferro, cálcio e alumínio, fases metálicas Fe-Si e Mg 2Si (7, 10-13), sendo este último proveniente de partículas de liga nodulizante que não reagiram.

4 . EFEITO DE ALGUMAS VARIAVEIS NA FORMAÇÃO DE DROSSES. 4.1 Temperatura. A temperatura é uma variável muito importante na formação de escórias e drosses em

ferros fundidos nodulares, em decorrência de reações que se verificam durante o esfriamento, desde a transferência do metal líquido do forno para a panela de tratamento até o preenchimento do molde.

A figura 14 apresenta variações da temperatura com o tempo em experiências realizadas em um forno com cadinho de magnésia em que se efetuou o superaquecimento até 1580°C, sendo o tratamento processado quando a temperatura alcançou 1510°C através de imersão por sino, empregando-se liga Ni-Mg (15% Mg). Forma determinadas as temperaturas para as quais ocorreu o início de formação de escória e de drosses sólidas (10).

Figura 14 – Variação da temperatura com o tempo para um ferro fundido nodular após o tratamento com magnésio em um cadinho em contato com o ar. São indicadas as temperaturas correspondentes ao início da formação de escória e drosses (10).

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Para temperaturas superiores a cerca de 1450 °C, a superfície do banho apresentava-se completamente limpa (10). Nessas temperaturas o carbono se oxida preferencialmente ao ferro, ao silício e ao manganês, razão pela qual não se forma escória.

A partir dessa temperatura, no resfriamento, inicia-se a formação de um filme de escória em pequenas áreas. A quantidade dessa escória aumentou gradativamente a medida que a temperatura diminuiu.

Esse processo ocorreu principalmente devido a reação com o oxigênio do ar e, em menor intensidade, com o oxigênio dissolvido (10).

Para temperaturas inferiores a cerca de 1350°C, partículas aglomeradas de drosses sólidos começavam a se formar, enquanto a cerca de 1290°C o metal líquido estava completamente coberto por drosses (10).

Quando se efetuou o reaquecimento co banho verificou-se que o processo se revertia, com os drosses transformando-se em filme de escória e esta desaparecendo, por completo, para temperaturas superiores de 1450°C (10).

Verificou-se a presença de SiO2, Al2O3, FeO e MgO, tanto nos drosses removidos das peças quanto nos coletados da panela de tratamento (10).

A formação de drosses depende, portanto da temperatura. Experiências realizadas utilizando-se temperaturas de vazamento superiores a 1430°C

mostraram a ocorrência de um filme distribuído de drosses na superfície superior das peças e também nos massalote (10). Esse tipo de drosses não se estendia muito abaixo da superfície da peça.

Efetuando-se tratamento térmico e limpeza por jateamento de granalha era possível remover a maior parte desses drosses, restando poucos defeitos na peça.

Por outro lado para temperatura de vazamentos inferiores a cerca de 1345°C formavam-se drosses distribuídos em toda a superfície superior da peça e no massalote. Esse defeito também ocorreu abaixo da superfície, de modo que ao se efetuar tratamento térmico seguido de limpeza por jateamento de granalha o defeito se mostrava mais acentuado (10).

4.2 Carga Metálica. A formação de drosses depende de reações de oxidação (6,14). Dessa forma a

utilização de sucata de aço mais fina ou ainda oxidada, em fornos a indução, ou de excesso de insuflação de ar, ou ainda de umidade no ar de sopro em fornos cubilô podem resultar em maiores teores de oxigênio dissolvido, o que aumenta a tendência ao defeito (6).

4.3 Carbono Equivalente. Os ferros fundidos nodulares de elevado carbono equivalentes apresentam maior

tendência à formação de drosses (7,11). Deve-se destacar também que, em muitos casos, a ocorrência desse defeito está associada à flotação de grafita (7).

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Experiências realizadas com ligas contendo 4,06%, 4,47% e 4,59% de carbono equivalente evidenciam aumento da quantidade de drosses com a elevação do carbono equivalente (11).

Muitas das variáveis de processo que tem influência na formação de drosses tem também efeito na flotação de grafita 915,16), como é o caso do carbono equivalente, da temperatura de vazamento e da velocidade de esfriamento (11).

Em ligas de elevado carbono equivalente podem ocorrer, simultaneamente, flotação de grafita e drosses, uma vez que apo a nucleação, o crescimento, a separação no líquido dos nódulos de grafita primária auxiliaria a aglomeração de partículas de drosses, notadamente as do tipo II. A incidência de grafita explodida associada a estrias de drosses nas regiões superiores de peças em que a velocidade de esfriamento é menor, e que se encontram situadas pouco abaixo da superfície, é uma evidencia de que ocorreram simultaneamente esses dois defeitos.

É preciso mencionar ainda que muitas peças que são refugadas por drosses apresentam também porosidade de gás e flutuação de grafita (7).

4.4 Enxofre. O enxofre tem efeito na formação de drosses: Para teores mais elevados desse

elemento no metal base aumenta a quantidade de inclusões e drosses (11,13). Nessas condições ocorreria uma competição com o oxigênio para reagir com o magnésio, diminuindo a formação de MgO e conseqüentemente de forsterita, resultando na formação de maiores quantidades de sulfetos.

4.5 Tratamento de Nodulização e Inoculação. A adição de magnésio para a fabricação de ferros fundidos nodulares tem efeito na

formação de drosses. Experiências referentes a tratamento de nodulização efetuado a 1500°C, com liga Fe-

Si-Mg(9%), para teores adicionados de 0,05 até 0,15%, mantendo-se o metal líquido por 12 minutos a 1370°C, evidenciam aumento na quantidade, tanto de inclusões maiores quanto de finas partículas de drosses (12).

Heine e Loper (10), utilizando também liga Fe-Si-Mg, realizaram adições de 0,14 e 0,28% Mg, obtendo pequeno aumento na incidência do defeito de drosses para o teor mais elevado.

O tipo de liga nodulizante também influenciaria a ocorrência de drosses, que seria mais pronunciada para ligas Fe-Si-Mg-Ce quando comparada ao emprego de Ni-Mg (7). Esse efeito poderia se dever a influência do silício, uma vez que os composto presentes nos drosses que contém esse elemento seriam provenientes dos tratamentos do metal líquido (nodulização e inoculação) (11).

No processo de nodulização no molde (“in mold”), a tendência a formação de drosses é maior (1-3,5), porque as possibilidades de separação entre o tratamento de

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nodulização e a solidificação do material apresentam maiores restrições que em processos convencionais de nodulização.

No processo “in mold” o teor de enxofre deve se inferior a 0,010%, notadamente para possibilitar menor adição de liga nodulizante e evitar a ocorrência de drosses.

Para se evitar a formação de inclusões e drosses nesse processo, além das recomendações gerais já mencionadas, dever-se-iam utilizar temperaturas de vazamento preferencialmente situadas entre 1425 e 1440°C (17). Para menores temperaturas aumenta a formação de produtos de oxidação e conseqüentemente a possibilidade de formação de drosses.

A influência do silício adicionado através das ligas nodulizantes e inoculantes na formação de drosses foi também verificada. Para um mesmo teor final de silício, quanto menor a porcentagem adicionada nesses tratamentos, menor era a incidência do defeito (11).

Em ferros fundidos nodulares verificou-se uma diminuição na quantidade de finas partículas drosses para menores teores de silício adicionado através da liga nodulizante (12).

Teores crescentes de silício adicionado através do inoculante (Fe-Si 75%) promoveram também aumento de drosses (12).

A quantidade de forsterita formada depende, evidentemente, da disponibilidade de sílica para reagir com o MgO. O efeito do silício dar-se-ia através da formação de forsterita (2MgO.SiO2), que ocorre preferencialmente ao Mgo.SiO2, sendo que este composto também pode ocorrer, como já citado, mas em menores quantidades.

Pequenos teores de cálcio e alumínio, elementos que se encontram presentes nas liga Fe-Si-Mg (1,3,4,18,19) e Fe-Si (20,23), contribuem para a formação de drosses na forma de óxidos. Verificou-se também que a porcentagem de forsterita formada diminuía com o aumento das quantidades de CaO, Al2O3 e FeO (13,14).

A presença de cério diminui a formação posterior de MgS e MgO e limita a oxidação do silício e a reação resultante de formação de forsterita (7,11). Teores mais elevados de cério causam um aumento inicial no total de drosses na forma de MgO não combinado constatado na panela, reduzindo-se a incidência do defeito nas peças desde que se efetue a remoção desses drosses antes do vazamento.

4.6 Sistema de Canais. O sistema de canais pode possibilitar a retenção de drosses e ainda evitar a formação

adicional. Para condições operacionais em que não haja uma tendência muito acentuada de formação de drosses devido a temperaturas ou as condições do metal líquido recomenda-se a utilização de sistema pressurizados para diminuir a formação do defeito(25), principalmente no que se refere a inclusões grandes (drosses do tipo I). Um sistema de canais com “pressão positiva”, possuindo relações de áreas de 4:8:3, foi projetado para reduzir a velocidade do metal no canal de distribuição, diminuindo a turbulência à frente do canal de ataque e retendo assim inclusões. (25).

Recomenda-se efetuar o vazamento o mais rapidamente possível, para manter o canal de distribuição cheio e, dessa forma, evitar turbulência adicional, que pode causar a aspiração de ar e a formação de óxidos.

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Mesmo inclusões finamente divididas poderiam ser retiradas no sistema de canais, deste que se diminuísse a velocidade e a vazão em áreas críticas do sistema, de modo a possibilitar a separação de inclusões (11). Outro procedimento utilizado é o de se controlar a velocidade utilizando vários canais de ataque (26).

Os centrifugadores podem também reter inclusões, criando-se um vórtice na passagem do metal e estabelecendo assim uma melhor condição para a flutuação das inclusões. Verificou-se que a relação 3:2 entre a área de entrada e a de saída do centrifugador aumentaria sua eficiência (27). Um bom efeito de retenção de drosses foi obtido usando-se um canal de ataque para um massalote lateral, sendo a entrada colocada perpendicularmente ao pescoço do massalote, na região inferior da peça (25). Para reduzir a turbulência e a oxidação adicional que poderia ocorrer quando o metal preenche a cavidade do molde recomenda-se a utilização de canais na região inferiores da peça (25).

Uma das técnicas que seria eficiente para a retenção de drosses consistiria no emprego de filtro cerâmico, que reteriam sulfetos e óxido de magnésio e cálcio, e silicatos de magnésio (28).

As propriedades que os filtros devem apresentar para que sejam efetivos referem-se a resistência a temperatura elevada, ao choque térmico, ao ataque químico e a erosão, apresentando ainda pequena limitação ao fluxo do metal líquido. As figuras 15 e 16 ilustram a retenção de drosses na proximidade do filtro que foi empregado para o processo “in mold” de nodulização.

As maiorias das inclusões retidas encontram-se na superfície de entrada do filtro. As

partículas maiores, com as estrias de drosses do tipo II, geralmente localizam-se nessa região. Partículas menores, como os sulfetos de magnésio, são também encontradas ao longo das paredes no interior do filtro (28).

Figura 15 – Drosses do tipo II, constatados com a utilização do processo de nodulização no molde, retidos nas proximidades da entrada do filtro cerâmico, 100 X (28).

Figura 16– Morfologia da grafita adjacente a filtro cerâmico, nas proximidades da saída do filtro, 100 X (28).

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4.7 Material de Moldagem. A influência do material de moldagem foi estudada para condições mais críticas

quanto a formação de drosses. Utilizando-se ferro fundido nodulares hipereutéticos com 4,6% CE (3,7% C e 2,7% Si) e baixa temperatura de vazamento (1340°C) (11).

Em moldes de areia verde com 5% de bentonita sódica, a quantidade de drosses obtida para elevado teor de umidade (6%) foi maior que a referente a 3,5% de umidade e 3% de pó de carvão. (11). O oxigênio proveniente da decomposição da água na interface metal - molde reage com o magnésio e o silício, resultando na formação de grandes quantidades de drosses.

Para maiores teores de pó de carvão (4,5 e 6%) na areia de moldagem, diminui a quantidade de drosses (11), sendo esse efeito decorrente da geração de atmosfera redutora no molde, que portanto contribui para a desoxidação do metal líquido.

Foi constatado ainda que a incidência de drosses, utilizando-se moldes de areia aglomerada com resina de cura a frio ou silicato de sódio / CO2, foi menor que a obtida em moldes de areia verde, para as condições mais críticas quanto a carbono equivalente e temperatura de vazamento acima mencionada (11). Esse resultado foi atribuído a não reatividade desses materiais de moldagem, além de sua maior rigidez quando comparados à areia verde, o que diminui a tendência de erosão de grãos de areia nos cantos dos moldes, que poderiam formar drosses devido a interação posterior com o metal líquido (11).

4. CONSIDERAÇÕES FINAIS.

Para se evitar a ocorrência do defeito de drosses em ferros fundidos nodulares devem ser observadas as seguintes recomendações gerais:

1. Devem-se evitar condições oxidantes durante a fusão e superaquecimento da carga

metálica, particularmente quanto a utilização de sucata de aço mais fina ou ainda oxidada.

2. A temperatura de vazamento deve ser elevada para se evitar as reações do oxidação que se verificam durante o resfriamento após ter-se efetuado a nodulização e a inoculação.

3. O carbono equivalente não deve ser elevado, uma vez que ligas hipereutéticas apresentam maior tendência a drosses, que se acentua ainda mais para teores crescentes de carbono equivalente nessas ligas.

4. O teor de enxofre do ferro base deve ser o menor possível, para evitar a necessidade de maiores adições de magnésio e as conseqüentes formações de sulfeto de óxidos.

5. O teor de magnésio adicionado deve se o menor que possibilite a obtenção de grafita de forma exclusivamente esferoidal na estrutura.

6. A inoculação deve ser efetuada com a menor adição possível de Fe-Si (75%Si), contendo baixos teores de cálcio e alumínio, de modo a permitir a obtenção da morfologia da grafita e de matriz metálica necessárias para atender as especificações da peça.

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7. Devem-se utilizar sistema de canais pressurizados. O vazamento deve ser efetuado rapidamente, de modo a evitar a oxidação. A utilização de centrifugadores ou de filtros pode ser eficientes para evitar a ocorrência de drosses em condições mais críticas.

8. A utilização de teores mais elevados de pó de carvão na formação de drosses, por gerar atmosfera redutora no interior do molde.

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