AntonioRobertoAugusto-DISSERT

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE 
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA 
 
 
 
 
 
 
 
DESGASTE DE UM ROTOR DE FERRO FUNDIDO CINZENTO 
REVESTIDO COM CAMADA DE METAL DURO APÓS 1.000 HORAS 
DE BOMBEAMENTO DE VINHOTO OPERANDO NA CONDIÇÃO DE 
CAVITAÇÃO 
 
 
 
 
ANTONIO ROBERTO AUGUSTO 
 
 
 
 
 
Orientador: Prof. Dr. JOÃO TELÉSFORO NÓBREGA DE MEDEIROS 
 
 
 
 
 
 
Dissertação submetida à UFRN, 
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE 
DO NORTE, como parte dos requisitos para a 
obtenção do grau de MESTRE EM 
ENGENHARIA MECÂNICA 
 
 
 
 
 
Área de Concentração: Tecnologia de Materiais - Mecânica do Contato – Tribologia 
 
 
 
 
 
Natal-RN-Brasil, Agosto 2.014 
 
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE 
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA 
 
 
 
DESGASTE DE UM ROTOR DE FERRO FUNDIDO CINZENTO REVESTIDO 
COM CAMADA DE METAL DURO APÓS 1.000 HORAS DE BOMBEAMENTO 
DE VINHOTO OPERANDO NA CONDIÇÃO DE CAVITAÇÃO 
 
 
 
 
ANTONIO ROBERTO AUGUSTO 
 
 
Esta dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de 
 
 
MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA 
Sendo aprovada em sua forma final. 
 
 
 
 
 
Banca Examinadora 
 
 
 
____________________________________________________________ 
Prof. Dr. João Telésforo Nóbrega de Medeiros - UFRN- Orientador 
 
 
_______________________________________________________________ 
Prof. Dr. Luiz Guilherme Meira de Souza – UFRN - Examinador Interno 
 
 
_________________________________________________________ 
Prof. Dr. Roberto Silva de Sousa – IFRN – Examinador Externo 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
UFRN / Biblioteca Central Zila Mamede. 
Catalogação da Publicação na Fonte. 
 
Augusto, Antonio Roberto. 
 Desgaste de um rotor de ferro fundido cinzento revestido com camada de metal duro após 1.000 horas 
de bombeamento de vinhoto operando na condição de cavitação / Antonio Roberto Augusto. – Natal, RN, 
2014. 
 126 f. : il. 
 
Orientador: Prof. Dr. João Telésforo Nóbrega de Medeiros. 
 
 Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Centro de Tecnologia. 
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. 
 
1. Bomba centrífuga - Dissertação. 2. Rotor - Dissertação. 3. Metal Duro - Dissertação. 4. Tungstênio 
- Dissertação. 5. HVOF - Dissertação. 6. Vinhoto - Dissertação. I. Medeiros, João Telésforo Nóbrega de. 
II. Universidade Federal do Rio Grande do Norte. III. Título. 
 
RN/UF/BCZM CDU 621.671 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
DEDICATÓRIA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Aos meus pais Bernardino Augusto (in memoriam) e Maria Marques Augusto. À 
minha esposa Fátima, às minhas filhas Heloiza e Milena, pela paciência, 
dedicação e apoio e a minha neta Marina, por proporcionar a visão do futuro. 
 
 
 
AGRADECIMENTOS 
 
Primeiramente agradeço a Deus, pela saúde, paz e equilíbrio para enfrentar os 
obstáculos e permissão em suplantá-los. 
 
Às instituições: 
Universidade Federal do Rio Grande do Norte, através do Programa de Pós-
Graduação em Engenharia Mecânica, pela oportunidade deste trabalho de 
pesquisa de Mestrado. 
 
À empresa AMF Equipamentos Hidráulicos Ltda, por ter acreditado neste 
projeto de pesquisa, disponibilizando total apoio técnico e financeiro. 
 
À empresa RAVEX, na pessoa do Eng° Marco Antonio, pela assistência 
durante a aplicação do revestimento. 
 
Aos Professores: 
Prof. Dr. João Telésforo Nóbrega de Medeiros, pela orientação, total apoio e 
incentivo dado em todas as fases deste trabalho. 
 
Prof. Dr. Marcello Filgueira, da UEN, Campos de Goitacazes, Prof. Dr. Roberto 
Silva de Souza, do IFRN-Natal-RN e Prof. Dr. Luiz Guilherme Meira de Souza, 
pelas contribuições e críticas na discussão deste trabalho. 
 
Prof. Dr. Antônio Eduardo Martinelli, pelo convite para fazer pós-graduação na 
UFRN e por seu incentivo à elaboração deste trabalho no GET-PPGEM-UFRN. 
 
Aos colegas do GET-PPGEM-UFRN, Grupo de Estudos de Tribologia e 
Integridade Estrutural da UFRN, Juliana Ricardo, Fernando Nunes e Daniel 
Cabral, pela colaboração durante a elaboração desta dissertação. 
 
 
 
 
 
 
 
SUMÁRIO 
 
Resumo 
Abstract 
Lista de Figuras 
Lista de Tabelas 
Lista de Símbolos 
Abreviações 
1 – INTRODUÇÃO ....................................................................................... 1 
1.1- Objetivos................................................................................................ 5 
 1.1.1 – Objetivo geral............................................................................. 5 
 1.1.2 – Objetivos específicos................................................................. 5 
2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................................. 6 
2.1 – Desgaste das principais partes de uma bomba centrífuga................. 6 
2.2 – Ferros Fundidos Cinzentos em Bombas Centrífugas........................... 11 
 2.2.1 – Classificação.............................................................................. 13 
 2.2.2 – Aplicabilidade do Ferro Fundido................................................ 14 
2.3 – Metais Duros para revestimentos de substratos................................. 15 
2.3.1 – Aspersão e superfícies recobertas................................................... 17 
2.3.2 – Carbonetos de Tungstênio (WC)...................................................... 18 
2.3.3 – Aspersão HVOF (High Velocity Oxygen Fuel).................................. 19 
2.3.4 – Características do Processo Spray HVOF………………………….. 23 
2.4 – Desgaste erosivo em banho de lama sob jato incidente...................... 23 
3 – MATERIAIS E MÉTODOS...................................................................... 30 
3.1 – Materiais Utilizados e fluído bombeado ............................................... 30 
3.2 – A bomba e o rotor ................................................................................ 31 
3.3 – Testemunhos do processo do ferro fundido cinzento e respectiva 
aplicação da camada de metal duro............................................................. 
 
31 
3.4 – Ensaios de Dureza- Ferro Fundido revestido com metal duro............ 32 
3.5 – Medida do pH do líquido ...................................................................... 33 
3.6 - Processo de revestimento do rotor e das testemunhas do processo. 33 
3.7 - Ensaio de microdureza HV no revestimento duro................................ 34 
3.8 - Análise por Metalografia Eletrônica de Varredura (MEV).................... 35 
3.9 - Análise perfilométrica da superfície ..................................................... 36 
 
 
 
3.10 - Bancada desenvolvida para avaliar o rotor revestido de metal duro 
após bombear vinhoto durante 1000 h......................................................... 
 
37 
4 - RESULTADOS DA INSPEÇÃO DO ROTOR E DA CARCAÇA DA 
BOMBA......................................................................................................... 
 
42 
4.1 - Resultados da inspeção visual da superfície do rotor........................... 43 
4.2 - Análise da camada de metal duro depositado no substrato de ferro 
fundido cinzento do rotor da bomba.............................................................. 
 
55 
5 - Discussão dos resultados........................................................................ 77 
6 - Conclusão................................................................................................ 82 
7 – Sugestões para trabalhos futuros.......................................................... 85 
8 - Referências Bibliográficas........................................................................ 87 
APÊNDICE 1 – Cavitação e Erosão em Bombas Centrífugas ..................... 91LISTA DE FIGURAS 
 
 
Figura 1 - Tratamento do vinhoto na Usina Vale Inexport, Escada-Pe 
(Lyra, 2008).................................................................................. 
 
 
3 
Figura 2 - Desgaste por cavitação e erosão por partículas sólidas na 
superfície de maior pressão da pá de um rotor de uma bomba 
centrífuga, conforme ASM Handbook, 2002, v.11, p.2183 ........... 
 
 
7 
 
Figura 3 - Estágios iniciais de dano e desgaste por cavitação direta em 
bomba centrífuga ASM Handbook, 2002, v.18, p.1228 ............... 
 
 
10 
Figura 4 - Dureza de materiais de partes de uma bomba bombeando lama 
(água contendo 20% de pó de granito) após um trabalho 
comparativo da Resistência ao desgaste de vários materiais 
utilizados em bombas, de acordo com Flygt, 2013....................... 
 
 
 
 
11 
Figura 5 - Relevância do teor de íons cloreto presentes no fluido de 
bombeamento sobre a resistência ao desgaste e à corrosão na 
seleção dos materiais de partes de uma bomba, de acordo com 
Flygt, 2013..................................................................................... 
 
 
 
12 
 
Figura 6 - (a)(b) - Micrografia da estrutura do ferro fundido (a) com veios 
de grafite observados em MEV e (b) ferro fundido cinzento 
contendo veios de grafite - distribuição tipo A (uniforme e sem 
orientação preferencial)................................................................ 
 
 
 
13 
 
Figura 7- Seis grupos de materiais e revestimentos resistentes aos 
desgastes mapeados por Kulu e colaboradores, 2005................ 
 
16 
 
Figura 8 - Áreas de aplicação e propriedades de dureza e tenacidade à 
fratura de revestimentos: 1,2 – para pequenos ângulos de 
impacto; 2,3,4 – para mecanismos de desgaste abrasivo-
erosivo; 4,5 - para grandes ângulos de impacto. Kulu et al., 
2005. ............................................................................................. 
 
 
 
 
17 
 
Figura 9 - Taxas de desgaste erosivo de três revestimentos de metal duro 
às temperaturas de 20oC e 700oC e sob ângulos de impacto de 
30o e 90o, segundo Kulu et al., 2005 ............................................ 
 
 
 
18 
Figura 10 - Pó de Carboneto de tungstênio (China Tungsten, 1997)............ 20 
 
 
 
 
Figura 11 - (a)- Exposição esquemática do sistema HVOF – Fonte: Panastron 21 
 
Figura 11 - (b)- Tocha de HVOF para aplicação por aspersão. APL, 2.010..... 21 
 
Figura 12 - Representação esquemática - superfície aspergida por HVOF 
(Adaptado de: Turunen et al., 2005) ...................................................... 
 
22 
 
Figura 13 - Porosidade (A) no interior da camada do revestimento (Foto do 
Autor)......................................................................................................
. 
 
23 
 
Figura 14 - (b) Microscopia óptica da superfície desgastada de um rotor de 
bomba deferro fundido. Partes mais claras representam regiões 
desgastadas. Taxas diferentes de desgaste foram medidas em coroas 
circulares com distintos raios situadas na zona (a) central do rotor e 
(b) distante do centro do rotor. Khalid e Sapuan, 2007 
................................................. 
 
 
 
 
 
 
25 
 
Figura 15 - Identificação de diferentes mecanismos de desgaste em uma 
superfície de ferro fundido cinzento FG 260 revestida com um filme de 
metal duro 86WC-10Co-4Cr erodida por jato incidente (30o e 45o) 
através de análise por MEV, Microscopia Eletrônica de Varredura [(a, 
b): Filme de Metal duro; (c, d): substrato de Ferro fundido cinzento)], 
segundo Yoganandh et al. (2013) .......................................................... 
 
 
 
 
 
 
27 
 
Figura 16 - Identificação de diferentes mecanismos de desgaste em uma 
superfície de ferro fundido cinzento FG 260 revestida com um filme de 
metal duro 86WC-10Co-4Cr erodida por jato incidente (60o e 90o) 
através de análise por MEV, Microscopia Eletrônica de Varredura [(a, 
b): Filme de metal duro; (c, d): Substrato de ferro fundido cinzento)], 
segundo Yoganandh et al. (2013). ......................................................... 
 
 
 
 
 
 
28 
 
Figura 17 - (a)(b) - Esboço do ensaio para avaliação do desgaste de metais e 
ligas metálicas sob cavitação-erosão desenvolvido por Franc et al., 
2012 (b). Taxa de pites cumulativos de três materiais distintos 
submetidos à cavitação-erosão em função do diâmetro dos pites e de 
dois níveis da pressão operacional (10 e 40 
bar)........................................................... 
 
 
 
 
 
29 
 
 
 
 
 
Figura 18 - (a)(b) - Foto de um Corpo-de-prova cúbico testemunho do 
processamento do material ferro fundido cinzento revestido com uma 
superfície de metal duro (HVOF) à base de carboneto de tungstênio 
(WC10%Co4%Cr) - (b) Esboço esquemático do cubo com as zonas 
determinadas para avaliação da microdureza Vickers e dureza 
Brinell......................................................................................................
. 
 
 
 
 
 
 
33 
 
Figura 19 - Exemplo de aplicação de revestimento de metal duro pelo processo 
HVOF aplicado por sistema robótico 
...................................................... 
 
35 
 
Figura 20 - (a) - Exemplo de aplicação de revestimento de metal duro pelo 
processo HVOF aplicado por sistema robótico....................................... 
 
36 
 
Figura 20 - (b) - Imagem MEV indicando camada de revestimento e substrato. 
Evidência de (A) porosidade, (B) metal duro, (C) ferrita e (D) veio de 
grafita. 
..................................................................................................... 
 
 
36 
 
Figura 20 - (c) Espectrograma por EDS da camada de metal duro [revestimento 
integrante da parte superior da figura 20(b)] evidenciando-se picos 
característicos dos elementos integrantes do revestimento duro, W e 
Co, bem como do substrato, C e Si. Entre 2,0 e 2,5 KeV, os picos 
(não marcados) correspondem às energias características do fósforo 
(P) e enxofre (S) 
.............................................................................................. 
 
 
 
 
 
 
37 
 
Figura 21 - Perfilograma da textura da superfície do canal de descarga do 
rotor......................................................................................................... 
 
38 
 
Figura 22 - Conjunto motobomba adquirido comercialmente, modelo 32-125, do 
tipo mancalizada e demais acessórios constituintes da bancada 
desenvolvida pelo autor como motor, base, acoplamento, selo 
mecânico, valvula borboleta , tubos e 
conexões..................................... 
 
 
 
 
39 
 
Figura 23 - (a)(b)(c)(d) - Rotor após revestido com revestimento de metal duro, 
fotos (do autor) das vistas (a)frontal, região de sucção e (b)lateral, 
destacando-se três canais de descarga do vinhoto, 1, 2 e 3, dos seis 
canais existentes que o integram, cor predominante do revestimento, 
 
 
 
 
 
 
 
 
cinza claro. Em (c) e (d) observa-se o mesmo rotor nas vista frontal e 
lateral respectivamente, após 1.000 horas de ensaio........................... 
 
 
40 
Figura 24 - Vista superior da zona de sucção do rotor após cerca de mil horas de 
ensaio de bombeamento de vinhoto. A, B, C representam regiões com 
evidências de fratura frágil da camada de metal duro devido à 
cavitação – de acordo com a condição de trabalho da bomba............... 
 
 
 
43 
 
Figura 25 - Vista parcial do rotor, enfatizando-se o canal número 1 adotado como 
primeira referência para análise por inspeção visual.............................. 
 
44 
 
Figura 26 - Vista parcial do rotor, enfatizando-se o canal número 2,adotado como 
segunda referência para análise 
visual................................................... 
 
45 
 
Figura 27 - Vista parcial do rotor, enfatizando-se o canal número 3, adotado como 
terceira referência para análise 
visual..................................................... 
 
46 
 
Figura 28 - Vista parcial do rotor,enfatizando-se o canal número 4, adotado como 
quarta referência para análise 
visual....................................................... 
 
47 
 
Figura 29 - Vista parcial do rotor, enfatizando-se o canal número 5, adotado como 
quinta referência para análise 
visual....................................................... 
 
48 
 
Figura 30 - Vista parcial do rotor, enfatizando-se o canal número 6, adotado como 
sexta referência para análise visual........................................................ 
 
50 
 
Figura 31 - (a) - Vista interna parcial da Carcaça da bomba após 1.000 horas de 
bombeamento do vinhoto 
(continua)...................................................... 
 
51 
 
Figura 32 - (a) Vista interna parcial da Carcaça da bomba após 1.000 horas de 
bombeamento do vinhoto (continua)................................................ 
 
 
52 
Figura 32 - (b) (continuação) - Vista interna parcial da Carcaça da bomba após 
1.000 horas de bombeamento do 
vinhoto............................................... 
 
53 
 
Figura 32 - (c) e (d). (continuação) Vistas internas parciais da Carcaça da 
bomba sem revestimento de metal duro, após 1.000 horas de 
bombeamento do 
 
 
54 
 
 
 
vinhoto................................................................................................ 
 
Figura 33 - (a) – A imagem do MEV mostra um corte transversal da distribuição 
do revestimento de metal duro (A) WC10%Co4%Cr e sua 
espessura de 385µm. Na parte inferior, o substrato de ferro 
fundido cinzento ASTM A48CL30, (B).– Ataque com Nital 5% – 
MEV CTgas-ER / Natal –
RN.................................................................................... 
 
 
 
 
 
 
55 
Figura 33 - (b) – Imagem obtida por Micrografia Eletrônica de Varredura (MEV-
elétrons retro espalhados, SBSE) evidenciando, na parte superior da 
foto, a camada de metal duro (WC10%Cr4%) depositada sobre o ferro 
fundido cinzento (A48CL30), parte inferior, o substrato, o qual não 
apresenta alterações da microestrutura decorrente do material 
depositado. Selecionaram-se as microzonas ¨A¨ e ¨B¨, integrantes do 
depósito de metal duro (WC10%Co4%Cr) e ¨C¨ e ¨D¨, no substrato de 
ferro fundido para análise por EDS nas figuras subsequentes............... 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
56 
 
Figura 33 (c) – Imagem de espectrograma obtido por EDS de zonas de 
intersecção da camada e do substrato comprovando a presença dos 
elementos Fe, C, Si, W, Co, Cr. Em função dos parâmetros aferidos 
nota-se que o ponto analisado na intersecção apresentou maior 
presença dos elementos que compõe o metal duro (WC10%Co4%Cr). 
Há significativa evidência do Fósforo (P) entre 2.0 e 2.5 KeV e traços 
de enxofre, à direita do fósforo (P). Vestígios de alumínio (Al) e 
oxigênio (O) observados provavelmente oriundos da molhabilidade 
realizada através de jateamento com óxidos de alumínio na 
preparação da superfície. – MEV-CTgás-ER / Natal RN........................ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
57 
 
Figura 33 - (d) – Imagem de espectrograma obtido por EDS evidenciando as 
zonas de intersecção da camada e do substrato comprovando através 
da presença dos elementos Fe, C, Si, W, Co, Cr, com significativa 
evidência do silício (Si) e fósforo [P, em um nível energético entre 2.0 
e 2.5 KeV e, à sua direita, enxofre (S)]. – MEV CTgas-ER – Natal........ 
 
 
 
 
 
58 
 
Figura 33 - (e) – Imagem de espectrograma obtido por EDS evidenciando-se os 
 
 
 
 
elementos presentes no substrato de ferro fundido cinzento, 
confirmando a presença dos elementos Fe, C, Si, P, S com 
significativa evidência do Ferro (Fe) e do Fósforo (P). Um vestígio do 
revestimento difundido no substrato pode ser detectado em um nível 
energético entre 9.5 e 10.0KeV, à direita do gráfico. – MEV CTgas-
ER- Natal/RN...................................................................................... 
 
 
 
 
 
59 
 
Figura 33 - (f) – Imagem de Espectrograma obtido por EDS evidenciando-se a 
presença na mircrozona ¨C¨ dos elementos contido no substrato de 
ferro fundido cinzento, com significativa evidência para os elementos 
Silicio (Si) e Ferro (Fe).Entre 2.0 e 2.5 KeV, constata-se um pico 
destacado de fósforo (P) e, à sua direita, um pequeno pico de enxofre 
(S). Em um nível energético entre 9.5 e 10.0 KeV, à direita, tungstênio 
(W), sugerindo que o processo de aspersão térmica ativou 
termicamente o tungstênio a penetrar na subsuperfície do substrato. - 
MEV CTgas-ER – Natal/RN. ................................................................ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
60 
 
Figura 34 - A foto da imagem, topo em corte transversal (SE- elétrons 
secundários) da camada de metal duro (parte superior) e do substrato 
obtida por MEV destacando-se quatro micro zonas (A), (B), (C) e (D) 
analisadas microanálise por EDS com resultados apresentados nas 
figuras 33 (a), (b), (c), (d), (e) e (f). Observar-se imagem, como 
esperado, que a linha de contato entre a camada e o substrato não se 
apresenta na forma linear como apresentado em uma imagem macro. 
Ataque Nital 5%.- MEV CTgás - ER-Natal/RN....................................... 
 
 
 
 
 
 
 
 
61 
 
Figura 35 - A Imagem, obtida por MEV, do corte transversal do testemunho 
(15x15x15 mm) do substrato de ferro fundido ASTM A48CL30 
revestido com a camada de metal duro a base de carbeto de 
tungstênio (WC10%Co4%Cr) após preparo convencional. No 
substrato parte inferior da imagem, como esperado observa-se os 
veios de grafita em ¨A¨ e ¨B¨. - Ataque Nital 5%.- MEV CTgás-ER-
Natal/RN 
.............................................................................................................. 
 
 
 
 
 
 
 
62 
 
Figura 36 - Foto de imagem obtida por detector de elétrons retroespalhados 
(SBSE- backscattering electrons) em análise por MEV da camada de 
metal duro observa-se a presença do silício (parte mais escura) e do 
carberto de tungstênio (parte mais clara) com pequena incidência de 
 
 
 
 
 
 
 
 
porosidade. A porosidade observada no ponto ¨G¨ não pode ser 
observada na Figura 37, confirmando assim tratar-se de uma 
porosidade interna na camada de metal duro. - Ataque Nital 5%.- 
MEV CTgás-ER-Natal/RN. 
.............................................................................. 
 
 
 
63 
 
 
Figura 37 A imagem obtida por MEV-SE – Secondary electrons apresenta 
caracterização da topografia do revestimento de metal duro, onde 
nota-se os picos mais claros (A) e os vales (B) mais escuros. Tal 
característica está em concordância com os valores de rugosidade 
média (Ra= 8,8) observados na Tabela 9 antes dos ensaios. Em ¨C¨ , 
¨D¨ e ¨E¨, observa-se pontos de porosidade superficiais que também 
são confirmadas na microanálise apresentada na imagem SBSE da 
figura 36.- MEV CTgás-ER-Natal/RN. 
................................................... 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
64 
 
Figura 38 - Apresenta imagem obtida por SBSE (SBSE- backscattering electrons) 
demarcando as micro zonas ¨E¨ e ¨F¨ onde a diferença do número 
atômico dos elementos que entram na composição da amostra 
proporciona superfícies com brilhos diferenciados. Devido o maior 
número atômico o metal duro á base de carberto de tungstênio (WC) 
os elétrons são retro espalhados com maior intensidade 
proporcionando uma superfície mais brilhante, enquanto que o silício 
(Si) por ter menor número atômico apresenta superfícies mais 
escuras, isto posto o resultado da imagem virtual induz à ideia de 
heterogeneidade da composição da amostra. Observa-se nas 
microzonas com coloração negritas porosidades no interior da 
camada de metal duro. - Ataque com Nital 5%. - MEV CTgás-ER-
Natal/RN...... 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
65 
 
Figura 39 - Imagem de Espectrograma do revestimento obtido através de EDS 
evidenciando os elementos constitutivos da microzona ¨E¨ onde se 
observa a presença de W, Co, C e Si, com evidência significativa 
para o silício (Si).Os picos caracterizados por suas energias situadas 
entre 2.0 e 2.5 keV concernem à presença do fósforo (P) e 
enxofre(S), respectivamente. Ataque com Nital 5%. - MEV CTgás-ER-
Natal/RN................................................................................................ 
 
 
 
 
 
 
 
 
66 
 
 
 
 
Figura 40 - Imagem de espectrograma do revestimento obtido por EDS 
evidenciando a microzona ¨F¨ onde se observa a presença dos 
elementos W, Co, Si, C e Si com significativa evidência para o silício 
(Si). Há significativa evidência do Fósforo (P) entre 2.0 e 2.5 KeV e 
traços de enxofre, à direita do fósforo (P). Ataque com Nital 5%. - 
MEV CTgás-ER-
Natal/RN................................................................................ 
 
 
 
 
 
 
67 
 
 
Figura 41 - Apresenta imagem obtida por SBSE (SBSE- backscattering electrons) 
da estrutura do substrato em ferro fundido tipo hipoeutético, 
mostrando os constituintes perlita, ferrita e veios de grafita do tipo ¨A¨ 
(micro zonas mais escura) e a camada de metal duro a base de 
carbeto de tungstênio (área clara) onde observa-se sua estrutura 
cristalina empacotada, com dimensional irregular, e a interface entre 
os dois matérias com estresse provocado pelo contato dos veios de 
grafita. . Ataque Nital 5%. – MEV CTgas-Re-
Natal/RN....................................... 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
68 
 
Figura 42 - A imagem obtida por SBSE (SBSE- backscattering electrons) da 
microestrutura da camada de metal duro e do substrato mostra na 
micro zonas A e B a porosidade na camada de revestimento, bem 
como o estresse na região de interface, micro zona C, devido à 
presença dos veios de grafita. A área mais clara mostra a 
microestrutura com dimensional irregular caracterizando o carbeto de 
tungstênio. Ainda em C observa-se que o estresse entre o metal duro 
e o substrato se apresenta critico à medida que o veio de grafita se 
aproxima da superfície do substrato e na posicionado horizontalmente 
em relação a camada de metal duro. – MEV CTgas-Re-
Natal/RN........ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
69 
 
Figura 43 - A imagem obtida por SBSE (SBSE- backscattering electrons) mostra 
na microzona ¨A¨ a microestrutura do metal duro (WC10%Co4%Cr) 
com dimensional irregular próprio de suas características , em ¨B¨ o 
substrato de ferro fundido cinzento (A48CL30). Em ¨C¨ porosidade 
acentuada na microzona de intersecção com o substrato formando 
um ponto de estresse. A microzona ¨D¨ apresenta a porosidade na 
camada de metal duro. – MEV CTgas-Re-
Natal/RN............................... 
 
 
 
 
 
 
 
70 
 
 
 
 
 
Figura 44 - A imagem obtida por SBSE (SBSE- backscattering electrons) mostra 
na microzona ¨A¨ a ocorrência do estresse na interface devido a 
presença do veio de grafita produzindo uma acentuada porosidade. A 
microzona B sugere aderência satisfatória ao substrato. Em C e D 
observa-se a infiltração do metal duro no veio de grafita. A micro zona 
¨F¨ mostra a microestrutura do metal duro evidenciando um 
empacotamento na microestrutura e o dimensional irregular próprio de 
suas características. - MEV CTgas-Re-Natal/RN.................................. 
 
 
 
 
 
 
 
 
71 
 
 
Figura 45 - Apresenta imagem obtida por SBSE (SBSE- backscattering electrons) 
onde observando-se na micro zona ¨G¨ o veio de grafita em ¨F¨ o 
metal duro e em ¨H¨ a porosidade na região de interface. É possível 
em F observar a micro estrutura irregular característica metal duro a 
base de carbeto de tungstênio. - MEV CTgas-Re-
Natal/RN................................. 
 
 
 
 
 
72 
 
 
Figura 46 Imagem de microanálise por EDS evidenciando os elementos 
constitutivos da microzona ¨G¨ da figura 45 inserido no substrato do 
ferro fundido, próximo ao revestimento de metal duro, com a presença 
dos elementos Fe, C, Si, com evidência significativa para o elemento 
ferro (Fe). O registro atribuído ao cromo provavelmente se trata do 
Manganês, cujas energias são bem próximas. Na analise da 
microestrutura de um ferro fundido cinzento espera-se a presença do 
Manganês. Há, entre 2.0 e 2.5KeV, evidências do fósforo (P). - MEV 
CTgas-Re-
Natal/RN................................................................................. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
73 
 
 
Figura 47 - A imagem obtida pelo sistema SE – Secondary electrons apresenta 
caracterização da topografia da vista lateral da interface do 
revestimento de metal duro com o substrato de ferro fundido, 
observando-se alto índice de estresse devido à presença dos veios de 
grafita. – Ataque com Nital 5% - MEV CTgás-Re-
Natal/RN.................... 
 
 
 
 
 
 
74 
Figura 48 - A imagem obtida pelo sistema SE – Secondary Electrons mostra 
topografia da microestrutura característica do metal duro. Observa-se 
 
 
 
 
 
consideráveis desníveis com a formação de vales, micro zonas (A) 
mais escuras, confirmando assim caracterização da rugosidade média 
(Ra = 8,8) encontrada antes do ensaio em bancada – Ataque com 
Nital 5% - MEV CTgás-Re-
Natal/RN............................................................... 
 
 
 
 
75 
 
Figura 49 Apresenta imagem obtida por SBSE (SBSE- backscattering electrons) 
da microestrutura da camada de metal duro confirma sua 
irregularidade como característica principal. – Ataque com Nital 5% - 
MEV CTgás-Re-
Natal/RN........................................................................ 
 
 
 
 
76 
 
 
Figura 50 - Desgaste por cavitação-erosão-corrosão nas pás de entrada de um 
rotor de uma bomba de cerca de 250±50 HP (Foto do 
autor)................. 
 
 
78 
Figura 51 - Desgaste por cavitação-erosão-corrosão nas pás de um rotor aberto 
de ferro fundido nodular ASTM A536 utilizado em uma bomba de 
cerca de 15±5 HP pertencente a uma estação de esgoto (Foto do 
autor)....................................................................................................... 
 
 
 
 
79 
 
Figura 52 - (a)(b) - Morfologias do desgaste por cavitação-erosão após 1.000 
horas de bombeamento (1 HP) de vinhoto (pH=7,3±0,5) em rotor 
fechado de Ferro Fundido Cinzento revestido com metal duro 
(WC10Co4Cr) nas zonas de (a) sucção, em que prevaleceu o 
mecanismo de cavitação e (b) recalque, em que o mecanismo da 
erosão foi proeminente .......................................................................... 
 
 
 
 
 
 
 
80 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
LISTA DE TABELAS 
 
 
Tabela 1 Caracterização físico-química do vinhoto, segundo Lyra,2008 .... 3 
 
Tabela 2 Classificação ABNT para as composições do ferro fundido 
cinzento ...................................................................................... 
 
14 
 
Tabela 3 Composição química de referência (Moreira, 2008) ................... 14 
 
Tabela 4 Aplicabilidade estrutural dos ferros fundidos cinzentos ASTM .... 15 
 
Tabela 5 Tipos e composição de 16 revestimentos selecionados, técnicas 
de deposição, porosidade e dureza HV0,2 - FONTE: Kulu et al., 
2005............................................................................................... 
 
 
17 
 
Tabela 6 Propriedades do carboneto de tungstênio (WC), 
(IFA,2014)...................................................................................... 
 
19 
 
Tabela 7 Valores de dureza Brinell HB para o ferro fundido cinzento.......... 
 
33 
 
Tabela 8 Parâmetros de aplicação utilizados no processo HVOF............... 34 
 
Tabela 9 Micro dureza HV0,2 e HV0,3....................................................................................... 35 
 
Tabela 10 Rugosidade Ra após tratamento de superfície do rotor e 
testemunha com revestimento de metal duro............................... 
 
38 
 
 
 
 
Tabela 11 Dados operacionais da bomba .................................................... 40 
 
 
. 
 
 
 
 
 
 
 
 
SÍMBOLOS 
 
 
 
mgL-1 Unidade em miligrama por litro 
NNitrogênio 
P Fósforo 
K Potássio 
Na Sódio 
Ca Cálcio 
Mg Magnésio 
Zn Zinco 
Cu Cobre 
Fe Ferro 
Mn Manganês 
WC Tungstênio 
Co Cobalto 
Cr Cromo 
Ps Pressão Estática 
Pv Pressão de Vapor 
γ Densidade 
g Constante Gravitacional 
 
 
 
S Velocidade Específica 
C Carbono 
Si Sílicio 
MPa Mega Paschall 
σn Resistência a tração 
Ksi Unidade de pressão 
HV 0,2 Dureza Vickers 200 g pré-carga 
HV 0,3 Dureza Vickers 300 g pré-carga 
pH Potencial de Hidrogênio 
Kgf/dm³ Quilograma força x densímetro cúbico 
M Metro 
m³/h Metro cúbico por hora 
cv Cavalo vapor 
Hz Unidade de frequência Hertz 
Hp Horse Power 
Ra Rugosidade média 
µm micrômetro 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ABREVIAÇÕES 
 
 
USDA Departamento de Agricultura dos Estados Unidos 
NPSH Net Positive Suction Head 
HVOF High Velocity Oxigen Fuel 
DQO Demanda Química de Oxigênio 
DBO Demanda Bioquímica de Oxigênio 
CE Condutividade Elétrica 
SDT Sólidos Totais Dissolvidos 
NPSHr Net Positive Suction Head requerido 
NPSHd Net Positive Suction Head disponível 
MEV Microscópio Eletrônico de Varredura 
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas 
ASTM American Society for Testing and Materials 
EPDM Ethylene Propylene Diene Monomer 
C.P. Corpo de Prova 
CTgás Centro de Tecnologia do Gás 
SEM-SBSE Detetor de elétrons retro-espalhados 
EDS Energia Despersiva de Raios-X 
SE Elétrons Secundários 
 
 
 
SBSE Backscattering Electrons 
rpm Rotações por minuto 
HB Dureza Brinell 
HRC Dureza Rockell 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ABSTRACT 
 
 
The Brazilian capability concerning to the world's leading producer of sugar-
cane ethanol can be joined together the vinasse production, which inherent 
amount discharged by distilling is from 10 to18 liters of vinasse per liter of 
ethanol produced. This vinasse has been applied in sugar-cane crops as 
organic fertilizer, where its pumping process is a critical element in this string. 
The aim of this work was investigate the main wear mechanisms of an impeller 
and parts of a centrifugal pump after pumping vinasse treated in reactor (pH 
8,3±0,7). A tungsten carbide-cobalt (WC10Co4%Cr) film based hard metal of 
360±35µm µm was applied on the grey cast iron pump impeller by HVOF 
thermal aspersion. Based on the 30 years of experience of the author in the 
design and mounting of pumping systems, a test rig was developed in 
Laboratory for 1,000 hours of pumping tests of vinasse at 27±2oC for a 
continuous service during 10 hours by day for a pump model 32-125, working 
under cavitation conditions through the calculation of Net Positive Suction Head 
(NPSH), A recirculating system of the vinasse was adopted and controlled by a 
discharge valve usually employed in the industrial processes. After the tests, 
both the coated rotor as the uncoated parts of the pump showed severe wear 
 
 
 
by cavitation-erosion, while parts of the rotor where the effects of cavitation are 
smaller, the coating showed a moderate wear. 
 
 
 
Keywords: Centrifugal Pumps; Impeller; Hard Metal; Tungsten; HVOF; Vinasse. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
RESUMO 
 
 
A liderança mundial brasileira na obtenção de etanol derivado da cana de 
açúcar pode ser associada à produção do vinhoto, em uma razão de 10 a 18 
litros de vinhoto para cada litro de etanol produzido durante o processo de 
destilação. Nos cultivos da cana-de-açúcar, esse vinhoto tem sido aplicado 
como adubo orgânico, onde o seu bombeamento é um elemento crítico dessa 
cadeia produtiva. O objetivo deste trabalho foi investigar os principais 
mecanismos de desgaste de um rotor e de partes de uma bomba centrífuga 
após bombear vinhoto tratado em reator (pH 8,3±0,7). Um filme de 360±35 µm 
de metal duro à base de carboneto de tungstênio-cobalto (WC10Co4%Cr) foi 
aplicado ao rotor de ferro fundido cinzento da bomba através da técnica de 
aspersão térmica HVOF. Considerando-se os trinta anos de experiência do 
autor no projeto de sistemas de bombeamento, uma bancada para o 
bombeamento de vinhoto a 27± 2oC foi desenvolvida em Laboratório para um 
serviço de 1.000 horas através de ensaios durante dez horas diárias e 
contínuas de uma bomba modelo 32-125 operando em condições de cavitação, 
conforme o cálculo de NPSH. Um sistema de recirculação do vinhoto foi 
 
 
 
adotado e controlado por uma válvula de descarga empregada comumente em 
processos industriais. Após os ensaios, tanto o rotor revestido pelo metal duro 
como algumas partes não revestidas da bomba apresentaram um desgaste 
severo por cavitação-erosão, enquanto áreas do rotor onde os efeitos da 
cavitação são menores, o revestimento apresentou um desgaste moderado. 
 
 
 
Palavras-chave: Bomba Centrífuga; Rotor; Metal Duro; Tungstênio; HVOF; Vinhoto. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO 1 
INTRODUÇÃO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2 
 
 
 INTRODUÇÃO 
 
 
 A utilização do etanol, obtido a partir da cana-de-açúcar, como combustível 
alternativo renovável em veículos automotores, em substituição à gasolina, tem 
contribuído para o aumento na produção de certos resíduos, tais como o 
bagaço, a torta de filtro e principalmente o vinhoto, um efluente líquido gerado 
pelas destilarias. Na sua forma primária não tratada o vinhoto é altamente 
corrosivo e erosivo e durante o processo da destilação, é responsável pela 
obtenção do mosto fermentado para recuperação do etanol. 
No início na década de 70 o surgimento do programa brasileiro ¨Proálcool¨ 
sem uma legislação especifica, provocou o aparecimento de diversos 
problemas ecológicos, políticos, sociais e econômicos oriundos pelo descarte 
do vinhoto nos leitos dos rios próximos às usinas, fatos estes registrados na 
época pelos meios de comunicação e em literatura especifica relacionadas aos 
litígios ocorridos envolvendo usineiros e população. 
O descarte do vinhoto nos leitos dos rios é condenado ambientalmente 
por dispositivos legais instituídos em 1934. 
 A composição do vinhoto depende de vários fatores como a variedade e 
maturação da cana-de-açúcar e o solo em que foi cultivado, o processo de 
fermentação e destilação, condições de clima e processos industriais. 
 
Segundo publicação do Departamento de Agricultura dos Estados Unidos, 
… “The fermentation converts the carbohydrates (i.e., sugars) contained 
within the molasses to ethyl alcohol, organic acids, and/or other desired organic 
compounds. In the case of ethanol production, small amounts of sulfuric acid may 
be added prior to fermentation to reduce the populations and activity of undesired 
bacterial species by adjusting the pH to between 4 and 5. Distillation of the 
resulting fermentation broth separates the desired organic compounds (e.g., 
ethanol) from the mother liquor. Vinasse is the byproduct of the distillation 
procedure, with 9–20 liters of vinasse generated per liter of ethanol.” 
 
USDA, 2013 
A caracterização física do vinhoto, apresentada à guisa de exemplo, na 
Tabela 1, concerne àqueles produzidos nas Usinas Salgado e na Vale Inexport, 
3 
 
 
situadas em Pernambuco, de acordo com Lyra, 2008, em sua tese de 
doutorado. 
Tabela 1 – Caracterização físico-química do vinhoto, segundo Lyra, 2008 
 
Parâmetros Amostra 
 In natura* Tratada** 
DQO mgL-1 44.000 130 
DBO mgL-1 13.01 0.54 
CE DSm-1 14,12 13,75 
SDT mgL-1 7.940 7.690 
pH - 4,5 8,7 
Nitrogênio (N) mgL-1 650 100 
Fósforo(P) mgL-1 70 50 
Potássio (K) mgL-1 3700 1000 
Sódio (Na) mgL-1 40 50 
Cálcio (Ca) mgL-1 780 160 
Magnésio (Mg) mgL-1 700 340 
Zinco (zn) mgL-1 6,7 1,1 
Cobre (Cu) mgL-1 5,2 1,6 
Ferro (Fe) mgL-1 22 10 
Manganês (Mn) mgL-
1 
12 6,0 
 
*Produzido na Usina Salgado, Ipojuca-Pe. ** Produzido na Usina Vale Inexport, 
Escada-Pe 
 
 
Figura 1. Tratamento do vinhoto na Usina Vale Inexport, Escada-Pe (Lyra, 2008) 
4 
 
 
Devido às altas temperaturas,superior a 100°C, em que sai do processo, 
é resfriado, tratado em tanques para atenuação do seu pH, Figura 1, para, em 
seguida, ser aplicado nas lavouras de cana como fertilizante, aproveitando 
assim seus nutrientes para tal. 
A agressividade ao sistema de bombeamento do fluido vinhoto tratado 
diz respeito não ao pH, mas à presença de sólidos em suspensão (Tabela 1), 
levando à erosão por partículas sólidas das partes integrantes da bomba, bem 
como à cavitação, decorrente da presença de vórtices, ou seja, gradientes de 
pressão e conseqüente geração de bolhas no fluido bombeado. 
Assim, para o bombeamento do vinhoto, recomendam-se equipamentos 
fabricados com ligas especiais mais nobres e resistentes ao desgaste, como os 
aços inoxidáveis, ASTM A 743 Gr. CA-40 e ASTM A 743 Gr. CA6NM, que os ferros 
fundidos cinzentos convencionais, aumentando o custo dos investimentos, 
operação e manutenção. 
No presente trabalho, contrariando o senso industrial vigente, depositou-
se um filme de metal duro à base de carboneto de tungstênio-cobalto por 
HVOF em um rotor de ferro fundido cinzento comercial, com o objetivo de se 
inspecionar vários pontos de contato de partes de uma bomba centrífuga que 
bombeou vinhoto propositalmente em severas condições de cavitação, 
segundo as curvas características da bomba. 
 
A hipótese formulada para esta investigação é de que: 
 
¨No bombeamento do vinhoto sob condições de cavitação, é 
tribologicamente eficaz a deposição de um revestimento de metal duro em um 
rotor de ferro fundido. 
 
Esta dissertação é composta por sete capítulos adicionais, 
respectivamente concernentes à revisão da literatura, materiais e métodos, 
resultados e discussão, conclusão, sugestões e referências bibliográficas. Um 
apêndice complementa o corpo deste relatório. 
 
 
 
5 
 
 
 
1.1 Objetivos: 
 
1.1.1 Objetivo geral: 
 
Após bombear vinhoto durante mil horas, inspecionar as diferenças 
entre o desgaste erosivo-cavitativo de partes de uma bomba de ferro 
fundido cinzento comercial e seu respectivo rotor, no qual se depositou 
um filme de metal duro. 
 
1.1.2 Objetivos específicos: 
 
1. Depositar filme de metal duro (WC10%Co4%Cr) em um 
rotor de ferro fundido de uma bomba centrífuga comercial utilizada no 
bombeamento do vinhoto. 
 
2. Desenvolver uma bancada de ensaio em laboratório para o 
bombeamento do vinhoto em regime de trabalho cavitativo, determinado 
de acordo com as curvas características do fabricante. 
 
 
3. Inspecionar visualmente, em laboratório, a ação erosiva-
cavitativa do bombeamento do vinhoto sobre as diversas seções do 
rotor. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO 2 
REVISÃO BIBLIOGRAFICA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
7 
 
 
2. Revisão Bibliográfica 
 
Apresenta-se um resumo conceitual e bibliográfico sobre o desgaste nas 
principais partes que integram uma bomba centrífuga e, a seguir, sobre o ferro 
fundido cinzento e a deposição de um filme de metal duro (WC10Co4%Cr) no 
que diz respeito às bombas centrífugas comercialmente disponíveis. 
Serão enfatizadas as técnicas de aplicação do metal duro à base de 
caberto de tungstênio em superfícies ferrosas pelo processo HVOF (High 
Velocity Oxigen Fuel), considerado atualmente como o mais avançado 
processo de deposição metálica. 
2.1. Desgaste das principais partes de uma bomba centrífuga 
 
A figura 2 contém a foto de um rotor desgastado e foi extraída do volume 
11 do ASM Handbook, o qual se intitula Análise e Prevenção de Falhas. 
 
¨Se a cavitação ocorrer em uma bomba centrífuga, o dano geralmente 
surgirá na parte de trás das pás do rotor na mesma localização próxima à 
entrada do fluido e terá uma morfologia rugosa e pontiaguda. O dano por 
erosão, por outro lado será defronte as mesmas pás do rotor ou no lado de 
maior pressão e geralmente será constituído por uma morfologia ranhurada¨. 
ASM Handbook, 2002, v.11, p.854. 
 
Figura 2. Desgaste por cavitação e erosão por partículas sólidas na superfície 
de maior pressão da pá de um rotor de uma bomba centrífuga, conforme ASM 
Handbook, 2002, v.11, p.2183 
8 
 
 
“Cavitação é a remoção de material de uma superfície pela formação e 
rápido colapso de bolhas de gás ou vapor em um líquido adjacente. O pite de 
cavitação é causado pelo movimento rápido, repetitivo e relativo entre o metal e 
o líquido. Quando a pressão local é reduzida, como quando o metal e o líquido 
se movem momentaneamente em sentidos opostos, formam-se pequenas 
cavidades no líquido na interface com o metal nas regiões de baixa-pressão. 
Tais cavidades de gás ou vapor se formam quando a pressão local cai abaixo 
da pressão de vapor do líquido ou gás dissolvido. Então, quando o metal e o 
líquido se movem em vai-e-vem, um em relação ao outro, as cavidades na 
interface implodem, ou colapsam, sobre a superfície do metal, causando 
tensões de contato localizadas muito elevadas.” ASM Handbook, 2002, v.11, 
p.854. 
Segundo Charles Zanini Miranda – 2007 - as tensões localizadas podem 
atingir pressões na ordem de 1Gpa. 
 
O ASM Handbook, volume 18, intitula-se Tecnologia do Atrito, 
Lubrificação e Desgaste. As páginas 1226-7 (versão eletrônica), lê-se: 
 
 “Cavitation is probably the most common cause of rapid component 
erosion and wear in hydraulic machinery. The usual measure of likelihood 
of cavitation is the net positive suction head (NPSH), which is the 
difference between the static pressure (Ps) and the vapor pressure (Pv) of 
the liquid at the pump inlet flange, expressed in meters: 
 
 (1) 
 
 
 
onde: 
 
Ps = pressão estática atuante no flange de entrada da bomba ( em Pa) 
Pv = pressão de vapor do líquido (Pa) 
9 
 
 
Ɣ = peso específico (kgf/dm³) 
G = aceleração gravitacional 
 
Um valor de NPSHr, é determinado pelo fabricante da bomba com 
base na ocorrência da formação de bolhas suficiente para produzir queda 
de 3% na pressão da bomba. NPSH disponível do sistema, ou NPSHd, 
deve ser pelo menos igual a esse valor. Caso não seja, outra bomba com 
menor exigência na sucção deve ser selecionada ou alguns meios devem 
ser encontrados para aumentar o NPSHd, tal como um reforço a montante 
ou, em uma bomba centrífuga, a utilização de um indutor axial. Uma 
abordagem útil para avaliar o potencial de danos devido à cavitação em 
bombas centrífugas é o conceito de velocidade específica de sucção, 
desenvolvida por Karassik: 
 
 
 (2) 
 
 
 
Com o aumento do valor de S, maior será a probabilidade de danos 
devido à cavitação, mesmo que a queda da pressão atenda o limite de 
3% valor da pressão. Caso a queda da pressão ultrapasse o valor de 3% 
a ocorrência de danos será mais grave. Cavitação em bombas sem 
indutores provavelmente haverá aumento do valor de S além da faixa de 
13.300 a 16.000, onde NPSH será em pés e fluxo em gpm. 
Uma causa indireta, mas importante de cavitação é a recirculação na 
sucção e descarga, que ocorre quando a bomba opera com fluxo muito 
abaixo do projetado para tal, e os ângulos de fluxo de entrada ou de saída 
não coincidir com os ãngulos das palhetas. Isto leva a turbilhões de fluxo 
secundário localizados sobre o lado de alta pressão da lâmina. O 
aumento da velocidade local nesses vórtices pode diminuir a pressão de 
10 
 
 
aspiração local, o suficiente para causar a cavitação e danos 
subsequentes. Este dano é normalmente distinguível de cavitação direta, 
porque geralmente ocorre no lado da pressão da lâmina. A cavitação 
directa ocorre geralmente quando a pressão estática no escoamento é 
baixo no fluxo primário – isto é, na superfície de sucção das lâminas, 
geralmente perto da entrada. 
 
A Figura 3 contém uma foto de uma bomba com evidência de desgaste 
por cavitação direta, de acordo com o ASM Handbook, 2002, v.18, p.1228. 
 
 
 
Figura 3. Estágios iniciaisde dano e desgaste por cavitação direta em bomba 
centrífuga. - ASM Handbook, 2002, v.18, p.1228 
 
Alguns fabricantes de bombas cuja atuação é globalizada e, assim, integra o 
grupo dos chamados fabricantes de bombas em alta escala, têm publicado 
artigos na rede mundial sobre materiais de bombas resistentes ao desgaste. As 
figuras 4 e 5 integram um White paper da Flygt, 2013 sobre esse assunto. A 
relevância da dureza do material é um destaque quando se aborda 
severidade de uso da bomba para lamas erosivas: um rotor de ferro fundido 
11 
 
 
cinzento (“grey iron.”, dureza 196HB, 13 HRC) tem a sua resistência triplicada 
quando é revestido com filme duro e é recozida, dureza 37 HRC (“hard iron, 
annealed”) é uma maior ordem de grandeza quando é revestido com filme duro 
e é temperado, dureza 60 HRC (“hard iron, hardened”). No que concerne à 
resistência à corrosão, esse fabricante apresenta a importância de se 
considerar os íons cloretos no processo de seleção dos materiais da bomba, 
sugerindo materiais que se adequam às solicitações mais comumente 
encontradas em campo. 
 
 
 
Figura 4. Dureza de materiais de partes de uma bomba bombeando lama (água 
contendo 20% de pó de granito) após um trabalho comparativo da Resistência ao 
desgaste de vários materiais utilizados em bombas, de acordo com Flygt, 2.013. 
12 
 
 
 
Figura 5. Relevância do teor de íons cloreto presentes no fluido de bombeamento 
sobre a resistência ao desgaste e à corrosão na seleção dos materiais de partes de 
uma bomba, de acordo com Flygt, 2013. 
 
2.2. Ferros Fundidos Cinzento em Bombas Centrífugas 
 
 Os ferros fundidos são, basicamente, ligas do sistema ternário Fe-C-Si 
contendo teores de carbono acima de 2%. Sua microestrutura pode apresentar 
parte do carbono sob a forma de grafita ou a de cementita (Fe3C). Em ambas 
as formas, os ferros fundidos apresentam ductilidade insuficiente para 
operações de conformação mecânica. Deste modo, os componentes fabricados 
em ferros fundidos só podem ser obtidos pelos processos de fundição. Outra 
característica relevante nos ferros fundidos é a sua relativa facilidade de fusão, 
quando comparado aos aços com baixo teor de carbono. (MARCELO F. 
MOREIRA / SUSANA M.G. - 2004). 
 
 No estado bruto de fundição, suas propriedades mecânicas são 
definidas pela microestrutura, mais precisamente, pela forma em que o carbono 
encontra-se combinado: 
13 
 
 
- Ferro fundido cinzento – microestrutura em que a maior parte do 
Carbono(C) está na forma de veios de grafita, conforme Figuras 6 (a) e (b). 
 
(a) 
 
 
 (b) 
 
Figura 6. (a)(b) - Micrografia da estrutura do ferro fundido (a) com veios de grafite 
observados em MEV e (b) ferro fundido cinzento contendo veios de grafite - 
distribuição tipo A (uniforme e sem orientação preferencial) 
 
 
14 
 
 
2.2.1 - Classificação 
 
Os ferros fundidos são agrupados em sete tipos, de composição química 
indicada pela tabela 2, segundo ASTM (American Society for Testing and 
Materiais). A ASTM A48 também classifica os ferros fundidos cinzentos de 
acordo com a resistência mecânica e define a composição química de 
referência, tabelas 2 e 3. Os números 20 a 60 correspondem aos limites de 
resistência à tração, em lb/pol² ou seja 20.000 lb/pol², 25.000 lb/pol² etc.; 
portanto em medidas métricas, essas classes apresentam, em média, os 
valores aproximados para limite de resistência à tração conforme Tabela 2. 
 
Tabela 2. Classificação ABNT para as composições de ferro fundido 
cinzento (Vicente Chiaverini,1979) 
Classe Resistência Mecânica -Tração 
Classe 20 14,0 kgf/mm² (140MPa) 
Classe 25 17,5 kgf/mm² (175MPa) 
Classe 30 21,0 kgf/mm² (210MPa) 
Classe 35 24,5 kgf/mm² (245MPa) 
Classe 40 28,9 kgf/mm² (279MPa) 
Classe 50 35,0 kgf/mm² (340MPa) 
Classe 60 42,0 kgf/mm² (410MPa) 
 
Tabela 3. Composição química de referência (Moreira, 2008) 
http://fundentes.blogspot.com.br/2010_02_05_archive.html 
 
Classe 
ASTM A48 
Composição química (%) 
C Si Mn P S 
20 3,10 –3,80 2,20 – 2,60 0,50 – 0,80 0,20 – 0,80 0,08 – 0,13 
25 3,00 – 3,50 1,90 – 2,40 0,50 – 0,80 0,15 – 0,50 0,08 – 0,13 
30 2,90 – 3,40 1,70 – 3,30 0,45 – 0,80 0,15 – 030 0,08 – 0,12 
35 2,80 – 3,30 1,60 – 2,20 0,45 – 0,70 0,10 – 0,30 0,06 – 0,12 
40 2,75 – 3,20 1,50 – 2,20 0,45 – 0,70 0,07 – 0,25 0,05 – 0,12 
50 2,55 – 3,10 1,40 – 2,10 0,50 – 0,80 0,07 – 0,20 0,06 – 0,12 
60 2,50 – 3,00 1,20 – 2,20 0,50 – 1,0 0,05 – 0,20 0,05 – 0,12 
2.2.2 - Aplicabilidade do Ferro Fundido 
 
15 
 
 
Por suas qualidades mecânicas e devido ao baixo custo de obtenção, o 
ferro fundido encontra na indústria em geral uma vasta gama de aplicação. Na 
Tabela 4 podem-se verificar as várias composições do ferro fundido e suas 
respectivas aplicações. 
 
Tabela 4. Aplicabilidade estrutural dos ferros fundidos cinzentos ASTM 
Ferro Fundido 
(ASTM A 48) 
Aplicações 
ASTM A48 CL 20 
Utensílios domésticos, peças sanitárias; bases de 
máquinas, fundidos ornamentais, carcaças; tampas de 
poços; tubos centrifugados; conexões com baixa 
resistência mecânica. 
ASTM A48 CL 25 
Idênticas às de classe 20, porém com exigência de 
uma resistência mecânica superior. 
ASTM A48 CL 30 
Elementos construtivos (grelhas, buchas, rotores, 
carcaças de compressor, tubos e conexões), Placas de 
embreagem, discos de freios, blocos de motor, 
cabeçotes, pistões, barramentos de máquinas 
ferramentas, carcaças de motores elétricos. 
ASTM A48 CL 35 
Idênticas às do ferro fundido classe 30, porém com 
maiores exigências de resistência mecânica. 
ASTM A48 CL 40 
 
Elementos estruturais envolvendo tensões mais 
elevadas que as anteriores, em que se exigem maiores 
durezas e resistência mecânica. O processo produtivo 
incorpora a adição de elementos de liga em pequenas 
quantidades e controles da microestrutura e do 
processo de inoculação: Engrenagens; discos de freio, 
eixos de comando de válvulas, virabrequins, blocos de 
motor; cabeçotes, buchas, válvulas, munhões, cilindros 
e anéis empregados em locomotivas. 
ASTM A48 CL 50 Aplicações idênticas às da classe 40. 
ASTM A48 CL 60 
 
Maior resistência mecânica, normalmente com baixos 
teores de Ni, Cr e Mo. Tambores de freios especiais, 
virabrequins, bielas, cabeçotes, corpos de máquinas 
diesel, peças de bombas de alta pressão, carcaças de 
britadores, matrizes para forjar a quente, cilindros h, etc. 
 
2.3 - Metais duros para revestimentos de substratos 
 
16 
 
 
Kulu e colaboradores, 2005, elaboraram um relatório de estado-da-arte 
sobre materiais e revestimentos utilizados para melhorar a resistência ao 
desgaste erosivo por partículas sólidas de peças e equipamentos que são 
solicitados em condições extremas. A figura 7 mapeia seis grupos desses 
materiais e revestimentos, associando-os à fração volumétrica da sua fase 
dura, à tenacidade à fratura, à dureza, à plasticidade, à resistência ao 
desgaste. A Tabela 5 descreve 16 desses revestimentos, segundo três tipos, 
fornecendo a sua composição, técnicas de deposição, porosidade e dureza 
HV0,2. 
Além disto, propuseram um critério de seleção de revestimentos baseado 
na sua dureza, porosidade, estrutura, materiais e processos. 
Entre as soluções propostas, a aplicação de metal duro por aspersão 
térmica com base em carboneto de tungstênio, ligas de auto fusão que contêm 
partículas de carboneto de tungstênio (WC) aplicadas por atomização e 
métodos de fusão (a chama, plasma, laser etc.). As propriedades dureza e 
tenacidade à fratura, figuras 7, 8 e 9 associam-se diretamente à resistência ao 
desgaste, segundo Kulu et al., 2005. 
 
 
 
Figura 7. Seis grupos de materiais e revestimentos resistentes ao desgaste, 
mapeados por Kulu e colaboradores, 2.005. 
 
 
Tabela 5. Tipos e composição de 16 revestimentos selecionados, técnicas de 
deposição, porosidade e dureza HV0,2 - FONTE: Kulu et al., 2005 
 
17Figura 8. Áreas de aplicação e propriedades de dureza e tenacidade à fratura de 
revestimentos: 1,2 – para pequenos ângulos de impacto; 2,3,4 – para mecanismos de 
desgaste abrasivo-erosivo; 4,5 - para grandes ângulos de impacto. Kulu et al., 2005 
 
 
 
 
18 
 
 
 
 
Figura 9. Taxas de desgaste erosivo de três revestimentos de metal duro 
 às temperaturas de 20oC e 700oC e sob ângulos de 
 impacto de 30o e 90o, segundo Kulu et al., 2005 
 
2.3.1 - Aspersão e superfície recobertas 
 
A segunda metade do Século XX foi cenário de um desenvolvimento 
decisivo dos materiais e processos. A sua aplicabilidade também mereceu 
especial atenção científica, com destaque para os processos de recobrimento 
de superfície para melhorar a resistência ao desgaste de peças e 
equipamentos, particularmente a aspersão como método de recobrimento de 
maior utilização. 
Esse método consiste em se aplicar uma camada, normalmente com 
maior resistência mecânica e, se necessário, maior resistência química sobre 
um substrato. Além de outros, utiliza-se o carboneto de tungstênio como 
material aspergido. 
 
 
2.3.2 - Carboneto de Tungstênio (WC) 
 
19 
 
 
Os revestimentos à base de carbonetos de tungstênio (WC) tem se 
destacado e são vistos como alternativa para materiais de elevada dureza 
tradicionalmente utilizados em bombas de mistura sujeitas a desgaste intenso, 
como ferros fundidos brancos e aços inoxidáveis. O sucesso do emprego do 
revestimento nesta aplicação pode ser explicado pela resistência ao desgaste e 
boa molhabilidade dos carbonetos de tungstênio em materiais ferrosos. A 
aplicação deste tipo de revestimento em peças e componentes sujeitos a 
intenso desgaste ampliam sua vida, pois permite aliar as características dúcteis 
de uma matriz ferrosa do tipo austenítica, por exemplo, com a elevada 
resistência mecânica, estabilidade térmica e excelente resistência ao desgaste 
dos carbonetos (Rong et al., 2003). 
Carboneto de tungstênio (WC) é uma liga metálica composta em partes 
iguais de carbono e tungstênio, empregada como refletor de nêutrons. Na sua 
forma mais básica do carboneto de tungstênio (WC), também conhecido como 
carboneto de Wolfrânio, apresenta-se como um pó fino cinzento, que pode ser 
moldado sobre pressão em várias formas para ser usado em máquinas 
industriais, ferramentas, abrasivos e também em joalheria. (IFA, GESTIS 
Substance Database from the BGIA, 2014). Caracterìesticas e propriedades 
importantes do WC encontram-se na Tabela 6. Uma vez misturado ao cobalto e 
aglutinante, o carboneto de tungstênio é prensado e sinterizado. 
 
 
Tabela 6. Propriedades do carboneto de tungstênio (WC), (IFA, 2014). 
 
Fórmula molecular WC 
Massa molar 195.86 g.mol-1 
Aparência Cinza-preto sólido 
Densidade 15,63 g/cm³ (15°C) 
Ponto de fusão 1870°C 
Ponto de ebulição 6000°C 
Solubilidade em água Insolúvel 
 
http://gestisen.itrust.de/nxt/gateway.dll/gestis_en/000000.xml?f=templates$fn=default.htm$3.0 
 
Produtos sinterizados de carboneto de tungstênio são bem conhecidos e 
utilizados no corte de aços, em brocas, placas de circuito e diversas outras 
20 
 
 
aplicações de alta tecnologia para as indústrias automotiva e aeroespacial, 
dentre outras. (Figura 10) 
 
 
 
 
 
 
Figura 10 - Pó de Carboneto de tungstênio (China Tungsten, 1997) 
 
Carboneto de tungstênio (WC) é um material quase tão duro quanto 
diamante e usado em ferramentas para cortar metais e em brocas de 
perfuração. Podem operar com temperaturas até 450°C, não possuem 
resistência a impactos. 
Possui vasta aplicação para revestimento de luvas protetoras de eixo em 
bombas centrifugas, onde se tem grande desgaste por atrito devido a ação das 
gaxetas sobre a superfície da luva protetora, elemento rotativo. 
 
2.3.3. Aspersão por HVOF (High Velocity Oxygen Fuel) 
 
O mais recente desenvolvimento de metalização por combustão é o 
processo HVOF, que opera projetando partículas de pó a velocidades até duas 
vezes a velocidade do som. O processo de HVOF aplica pós metálicos ou 
cerâmicos extrafinos, com base na conservação de energia cinética das 
partículas, previamente aquecidas durante a passagem pela chama, em calor 
devido a desaceleração ocasionada pelo impacto contra o substrato. Como 
decorrência deste violento impacto há uma elevação significativa de aderência 
do deposito sobre a base praticamente eliminando qualquer porosidade 
residual. 
O processo HVOF é uma evolução do processo DGUN, também 
supersônico e que opera com explosões sucessivas arremessando partículas. 
No processo HVOF, a alimentação de pó é contínua e uniforme, podendo-se 
21 
 
 
aplicar, por exemplo, Carboneto de Tungstênio puro em camadas de até 
0,3mm com porosidade residual menor do que 1%. 
O processo hipersônico é um dos mais modernos do mundo, o 
combustível é queimado com querosene de avião e oxigênio líquido formando 
uma alta pressão na câmara de combustão, gerando um jato de exaustão de 
velocidade hipersônica (780 m/s). 
A qualidade se torna superior devido à velocidade das partículas 
aspergidas na superfície a ser revestida, introduzida no interior da chama em 
pó e projetando no substrato como camada (0,10 a 12 mm). Ligas aplicadas: 
Carbonetos, Tungstênio, Cromo, Cobalto e Cermets uma combinação de 
cerâmica e metais, na imagem a seguir observa-se o processo de aplicação 
Figura 11(a)(b). 
 
Figura 11(a) – Exposição esquemática do sistema HVOF – Fonte: Panastron. 
 
 
Figura 11(b) - Tocha de HVOF para aplicação por aspersão. APL, 2010 
 
22 
 
 
Na Figura 12 pode se observado esquematicamente as características 
básicas da superfície após a aplicação de revestimento através do processo 
HVOF. Como fator importante para o revestimento tem-se a interface e a 
lamela de adesão ao substrato. A adesão também pode ser verificada na 
interface lamela x lamela. 
 
 
Figura 12 - Representação esquemática - superfície aspergida por HVOF 
(Adaptado de: Turunen et al., 2005) 
23 
 
 
Através da Figura 13, uma imagem de microscópio de varredura 
eletrônica (MEV) elaborada pelo Laboratório do Centro de Tecnologia do Gás, 
a pedido do autor, observa-se em que a porosidade (A) no interior da camada 
de revestimento está em concordância com a imagem didática apresentada na 
Figura 12. 
 
 
Figura 13 – Porosidade (A) no interior da camada do revestimento (Foto do Autor) 
 
Estes revestimentos podem sobreviver a condições severas de serviço, 
especialmente no desgaste e muitas outras aplicações de corrosão, 
prolongando em muito a vida útil do componente. O carboneto de tungstênio 
produz uma superfície lisa, quando aspergido, quimicamente uniforme e baixa 
porosidade do revestimento o que pode determinar uma superfície altamente 
resistente à abrasão. 
 
 
2.3.4 - Características do Processo Spray HVOF: 
Porosidade 
na interface. 
24 
 
 
o Produz superfície limpa, dura e densa, com revestimentos finos, 
estruturas homogêneas. 
o Os revestimentos são tenazmente ligados ao substrato. 
o Baixa taxa de estresse de compressão permite revestimentos 
muito espessos até 12 milímetros. 
o Excelente para a resistência ao desgaste e à corrosão 
o Recomendado para revestimentos de metal duro e, muitas vezes 
recomendado para revestimentos de superligas. 
o Acabamentos de superfície são geralmente suaves e pode ser 
utilizado no estado em que pulverizado. 
o Os revestimentos podem ser moídos e / ou superfinos. 
o Revestimento de geometrias complexas. 
o Fácil de mascaramento de áreas que não devem ser revestidas. 
o Processo pode ser totalmente automatizado. 
 
2.4 - Desgaste erosivo em banho de lama sob jato incidente 
 Erosão em banho de lama (“slurry erosion”) tem sido investigada em 
laboratório para avaliar a taxa de desgaste erosivo de superfícies a diferentes 
raios e velocidades para visualização das diversas zonas desgastadas, figura 
14(a)(b). – Khalid e Sapuan, 2.007. 
25Figura 14. Microscopia óptica da superfície desgastada de um rotor de bomba de ferro 
fundido. As partes mais claras representam regiões desgastadas. Taxas diferentes de 
desgaste foram medidas em coroas circulares com distintos raios situadas na zona 
(a) central do rotor e (b) distante do centro do rotor. Khalid e Sapuan, 2007. 
 
 
 Khalid e Sapuan, 2007, investigaram o desgaste de diversas regiões 
radiais e circunferenciais de um rotor aberto de ferro fundido, 165 mm de 
diâmetro, submetido à erosão, durante 480 horas, em um banho de água de 
94 mm de profundidade total, após se depositar em um tanque uma pilha de 
66 mm de partículas angulares de areia grossa, diâmetro médio de 1,12 mm e 
brita, diâmetro médio de 6,64 mm, numa proporção de 3:1 em volume areia e 
26 
 
 
brita. A cada 24 horas de funcionamento, o ensaio era interrompido. Na 
sequência, eram quantificados os valores da perda mássica total e das 
variações geométricas na direção radial e circunferencial do rotor, para se 
caracterizar a evolução do desgaste erosivo em “banho de lama” agitado a 460 
RPM, a uma potência nominal de 370 Watts. 
São nítidas as diferenças do desgaste do rotor de acordo com as 
evidências apreendidas por Khalid e Sapuan, 2007, em escala microscópica e 
esboçada nas fotos da figura 14. Reforçam os argumentos que comprovam a 
hipótese de que se deve encontrar maior desgaste longe do centro do rotor – 
neste caso, devido à maior velocidade das zonas periféricas do rotor. 
O desgaste por erosão em banho de lama (“slurry erosion”) tem natureza 
diferente daquele verificado na erosão por jato incidente (“erosion by jet 
impingiment”). 
 Evidências experimentais do desgaste decorrente de um jato erosivo 
incidindo sobre superfícies têm permitido a visualização de diferentes 
mecanismos à medida que o ângulo de incidência e a velocidade do jato 
variam em relação à superfície jateada. 
Alguns estudos têm incluído a avaliação do desgaste tanto de filmes 
finos de metal duro como os respectivos substratos. 
 Yoganandh et al. (2013) investigaram tais mecanismos de desgaste. São 
da sua autoria as figuras 15 e 16, as quais contêm imagens que caracterizam 
diferentes mecanismos de desgaste tanto no filme de metal duro à base de 
carboneto de tungstênio (fotos a, b) como no substrato de ferro fundido 
cinzento (fotos c, d), após erosão por jato contendo partículas (3%SiO2) de 
600 mm, em média, em quatro pares de ângulos e velocidades de incidência: 
(30o, 15 m/s), (45o, 18 m/s), (60o, 21 m/s) e (90o, 24 m/s), com pressões de 
contato entre 3,0 e 3,5 GPa. 
 
 
 
 
 
27 
 
 
(30o) 
 
 
 
(45o) 
 
Figura 15. Identificação de diferentes mecanismos de desgaste em uma superfície de 
ferro fundido cinzento FG 260 revestida com um filme de metal duro 86WC-10Co-4Cr 
erodida por jato incidente (30o e 45o) através de análise por MEV, Microscopia 
Eletrônica de Varredura [(a, b): Filme de Metal duro; (c, d): substrato de Ferro 
fundido cinzento)], segundo Yoganandh et al. (2013). 
28 
 
 
(60o)
 
(90o) 
 
Figura 16. Identificação de diferentes mecanismos de desgaste em uma superfície de 
ferro fundido cinzento FG 260 revestida com um filme de metal duro 86WC-10Co-4Cr 
erodida por jato incidente (60o e 90o) através de análise por MEV, Microscopia 
Eletrônica de Varredura [(a, b): Filme de metal duro; (c, d): Substrato de ferro 
fundido cinzento)], segundo Yoganandh et al. (2013). 
 
29 
 
 
 Franc et al., 2012, investigaram o desgaste por pite de três bocais 
cilíndricos de aço inoxidável duplex, de uma liga de alumínio e de uma liga de 
bronze alumínio ao níquel, todas com 16 mm de diâmetro iniciais, à velocidade 
na faixa de 45-90 m/s, pressão entre 10 e 40 bar, em um túnel de cavitação 
como o esboçado na figura 17(a). 
 
(a) (b) 
Figura 17 (a). Esboço do ensaio para avaliação do desgaste de metais e ligas 
metálicas sob cavitação-erosão desenvolvido por Franc et al., 2012 (b). Taxa de pites 
cumulativos para três materiais distintos submetidos à cavitação-erosão em função do 
diâmetro dos pites e de dois níveis da pressão operacional (10 e 40 bares) 
 
 
Franc et al., 2012, além dos experimentos de cavitação-erosão nos três 
materiais citados, cujos diâmetros resultantes estão esboçados na Figura 
17(b), realizaram ensaios de nano identação com carregamentos semelhantes 
àqueles geradores dos respectivos pites e encontraram correlações esperadas, 
as quais conduzem a boas predições qualitativas associando os materiais 
ensaiados aos respectivos diâmetros do pite. Estes, por sua vez, associaram-
se à frequência de bolhas colapsantes, à magnitude dos pulsos de pressão e 
velocidade do fluxo, como predito pela teoria hidrodinâmica que rege o 
escoamento de um fluido. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO 3 
MATERIAIS E MÉTODOS 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
31 
 
 
3 - Materiais e Métodos 
 
Estuda-se pouco a respeito da aplicação de revestimento de metal duro à 
base de carboneto de tungstênio em superfícies de ferro fundido. No Brasil, 
não é prática industrial comum utilizar revestimento de metal duro à base de 
carboneto de tungstênio (WC10%Co4%Cr) sobre uma matriz de ferro fundido 
cinzento ASTM A48 CL30. 
Normalmente, procede-se a substituição do ferro fundido por uma liga 
mais nobre. As empresas fornecedoras de revestimentos evitam essa 
aplicação por entenderem que a base de ferro fundido cinzento ASTM A48 
CL30 é uma liga de baixa resistência mecânica e baixa dureza devido aos 
veios de grafite, os quais abaixarão a eficácia da zona de aderência com o 
revestimento, fragilizando-o. As propriedades mecânicas dos veios de grafite 
são paradoxais em relação à elevada dureza e resistência mecânica do 
carboneto de tungstênio. Tais diferenças de estrutura e dureza insinuam uma 
instabilidade no revestimento como um todo, levando-o à fadiga oligocíclica, ou 
de baixo ciclo – inferior a 105 ciclos, vida muito curta em se tratando de um 
material para rotor de bomba. 
Este é o conhecimento empírico no seio do setor produtivo. Neste 
trabalho, decidiu-se verificar se há procedência, ou não. 
Investiga-se, portanto, se o bombeamento do vinhoto por um rotor de ferro 
fundido cinzento revestido com metal duro à base de carboneto de tungstênio e 
trabalhando em regime de cavitação suportará mais de um milhão de ciclos em 
serviço. 
Descreve-se, a seguir, a metodologia utilizada na presente investigação. 
 
 
3.1. Material utilizado e fluído bombeado 
 
 
Para atingir os objetivos deste trabalho, foram especificados e adquiridos 
o fluido a ser bombeado (vinhoto tratado para atenuação do pH), o 
equipamento para bombeio, tubulações e válvulas: 
 
32 
 
 
I. Vinhoto, adquirido comercialmente, 720 litros na forma líquida, 
embalados em quatro tambores de 180 litros, à temperatura 
ambiente, pH 8,5. 
 
II. Bancada de ensaio, conjunto moto-bomba, tamanho 32-125, com 
rotor fechado, vedação por selo mecânico, modelo M377 com 
sedes em carboneto de tungstênio e vedações em EPDM, 
reservatório de 500 litros, tubulação de 2¨ em PVC, válvula 
borboleta, tipo wafer com interno em inox, vedação EPDM. 
 
III. Rotor da bomba 32-125, tipo radial, fechado e dois cubos 
adicionais de 15x15x15 (mm) , fabricados com a função de serem 
testemunhas dos processos aplicados ao rotor e com o mesmo 
material do rotor, ferro fundido cinzento ASTM A48 CL30, todos 
revestidos, com uma camada de metal duro à base de carboneto 
de tungstênio (WC10%Co4%Cr), espessura de 350±40µm. 
 
3.2. A Bomba e o Rotor 
 
Utilizou-se uma bomba centrífuga radial, tamanho 32-125, do tipo rotor 
fechado, com diâmetro de 139 mm, construída em ferro fundido cinzento ASTM 
A48 CL30, vedação através de selo mecânico com faces de carboneto de 
tungstênio. 
O rotor original foi extraído da bombae encaminhado para ser revestido 
com camada de metal duro à base de carboneto de tungstênio 
(WC10%Co4%Cr), na espessura de 350±40µm, após limpeza mecânica com 
jateamento de óxido de alumínio. 
 
3.3. Testemunhas do processo do ferro fundido cinzento e 
respectiva aplicação do revestimento de metal duro 
 
 
Para a caracterização do material constituinte do substrato de ferro fundido 
cinzento e da camada de metal duro aplicado por aspersão oxi-combustível de 
33 
 
 
alta velocidade, utilizaram-se as amostras do processo, consistindo em corpos-
de-prova (C.P.) no formato de cubos de 15x15x15 mm, Figura 18(a). O 
revestimento de metal duro à base de carboneto de tungstênio foi caracterizado 
através das medidas de Microdureza Vickers, Rugosidade, Análise por 
Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e Microanálise química por EDS. 
 
 (a) (b) 
Figura18. (a) Foto de um Corpo-de-prova cúbico testemunho do processamento 
do material ferro fundido cinzento revestido com uma superfície de metal duro 
(HVOF) à base de carboneto de tungstênio (WC10%Co4%Cr) - (b) Esboço 
esquemático do cubo com as zonas determinadas para avaliação da microdureza 
Vickers e dureza Brinell. 
 
 
3.4. Ensaios de Dureza - Ferro Fundido revestido com Metal 
Duro à base de Carboneto de Tungstênio 
 
Na tabela 7 apresentam-se os valores dos ensaios de dureza Brinell 
realizado nas faces revestida (A) e sem revestimento (B), utilizando-se esfera 
HB Ø 2,5 mm com carga normal de 187,5 kgf. 
 
Tabela 7. Valores de dureza Brinell HB para o ferro fundido cinzento 
 
Impressão 
Região A 
(Revestida) 
Região B 
(sem revestimento) 
1 244 239 
2 239 244 
3 244 249 
4 244 244 
5 249 249 
Média 244 245 
 
 
 
34 
 
 
 
 
3.5 – Medida do Ph do líquido 
 
A caracterização física do vinhoto é semelhante à apresentada na Tabela 
1, no capítulo1, produzido nas Usinas Salgado e na Vale Inexport, situadas no 
estado de Pernambuco, de acordo com Lyra, 2008. Na presente investigação, 
o vinhoto tratado na própria Usina Japungu, no município de Sapé-Pb, 
apresentou 7,7±0,3mg de sólidos totais por litro e pH 8,3±0,7. Estes dados de 
pH foram medidos através de papel indicador e peagâmetro digital marca MS 
Tecnocon Instrumentação, modelo MPA 210, no Laboratório de Química da 
Escola de Ciência e Tecnologia da UFRN, em Natal. 
 
3.6 - Processo de revestimento do rotor e das testemunhas 
do processo 
 
O revestimento de metal duro (WC10%Co4%Cr) foi depositado no rotor 
de ferro fundido cinzento ASTM A48 CL30, após operação de limpeza 
mecânica por jateamento de óxido de alumínio, pelo o processo HVOF, 
também conhecido por ¨aspersão hipersônica¨ conforme os parâmetros 
indicados na tabela 8. 
 
Tabela 8: Parâmetros de aplicação utilizados no 
processo HVOF 
Modelo do equipamento JP 5000 
Comprimento do canhão (mm) 150 mm 
Distância da aspersão (mm) 280-320 mm 
Taxa de aspersão 1.15 
Fluxo de oxigênio 900l/min 
Fluxo do querosene 23,1 l/h 
Fluxo do arraste do pó (s) � 80-100 g/min 
Eficiência na deposição 40-45% 
Micro dureza – HVO.3 1300-1400 
Espessura da aspergida 4 – 6 �m 
 
Observa-se na figura 19 o sistema de aplicação da camada de metal duro, 
através do equipamento JP 5000. 
35 
 
 
 
 
Figura 19. Exemplo de aplicação de revestimento de metal duro pelo processo 
HVOF aplicado por sistema robótico. 
 
3.7 - Ensaio de microdureza HV no revestimento duro 
 
Os ensaios de microdureza Vickers foram realizados no CTGAS em Natal, 
em um Microdurômetro modelo HMV2, marca Shimadzu, devidamente 
certificado, sendo realizados segundo a norma ASTM A370 em um corpo-de-
prova com formato de cubo nas dimensões 15x15x15 mm, utilizando-se cargas 
de 200 e 300 gf, representados na tabela 8. 
 
Tabela 9 - Microdureza HV0,2 e HV0,3 
 
Amostra Localização X1 X2 X3 Média Resultado 
HV0,2 Superfície 1648 1449 1449 1515 1515 
HV0,3 Superfície 1391 1541 1541 1491 1491 
 
 
 
36 
 
 
3.8 - Análises por Metalografia Eletrônica de Varredura 
(MEV) 
 
Um C.P. testemunha do processamento de ferro fundido cinzento (ASTM A48 CL30) e 
revestimento de metal duro (WC10%Co4%Cr) foi analisado através de Microscopia 
Eletrônica de Varredura, no Centro de Tecnologia do Gás – CTGAS/ Natal. Na Figura 
20(a) pode-se constatar a espessura da camada (360±35µm) de metal duro 
depositado sobre o substrato de ferro fundido cinzento. Na figura 20(b) observa-se 
evidências da porosidade do revestimento depositado e as lamelas de grafite do 
substrato de ferro fundido. 
 
 
Figura 20(a) – Imagem MEV: espessura da camada do revestimento - 385µm 
 
 
 
Figura 20(b) – Imagem MEV indicando camada de revestimento e substrato. 
Evidência de (A) porosidade, (B) metal duro, (C) ferrita e (D) veio de grafita. 
37 
 
 
 
Na figura 20(c), a imagem do espectrograma EDS confirma a presença 
dos elementos Fe, C, Si, W, Co, Cr na camada de metal duro. 
 
 
Figura 20(c) – Espectrograma por EDS da camada de metal duro [revestimento 
integrante da parte superior da figura 20(b)] evidenciando-se picos característicos dos 
elementos integrantes do revestimento duro, W e Co, bem como do substrato, C e Si. 
Entre 2,0 e 2,5 KeV, os picos (não marcados) correspondem às energias 
características do fósforo (P) e enxofre (S) 
 
 
 
3.9 - Análise perfilométrica da superfície 
 
O ensaio perfilométrico de parte da superfície revestida da parede do rotor 
que entra em contato com o fluido foi executada com um rugosímetro portátil, 
modelo Surtronic 25, marca Taylor Hobson, no GET-UFRN, Laboratório de 
Tribologia da UFRN. 
Os dados foram coletados através do software Talyprofile Silver Edition, 
da Taylor Hobson. Com este software, foram obtidos diversos parâmetros da 
rugosidade, como o valor médio aritmético do trecho observado, Ra, assim 
38 
 
 
como a observação de diversos outros parâmetros que caracterizam o perfil da 
superfície tratada por HVOF. 
Na figura 21, apresenta-se um perfilo grama da textura da superfície da 
parede de um canal de descarga do rotor, após 1.000 horas de ensaio de 
bombeamento do vinhoto. A tabela 10 apresenta valores medidos da 
rugosidade no estado original do equipamento, ou seja, antes dos ensaios e 
após o ensaio. 
 
 
Figura 21 - Perfilograma da textura da superfície do canal de descarga do rotor 
 
Tabela 10 - Rugosidade Ra após tratamento de superfície do rotor e 
testemunha com revestimento de metal duro 
 
Condição Perfil da textura avaliado Ra (����m) 
Antes do ensaio Corpo-de-prova testemunha 8,80 
Após o ensaio Canal de descarga do rotor 3,29(*) 
 
(*) Valores obtidos após 1000 horas de ensaio 
 
 
 
 
39 
 
 
3.10 - Bancada desenvolvida para avaliar o rotor de ferro 
fundido revestido de metal duro após bombear vinhoto durante 
1.000 h. 
 
Os ensaios para bombeamento do vinhoto e inspeção do desgaste 
mecânico nas peças internas da bomba e, mais especificamente, no 
revestimento de metal duro depositado sobre a superfície do rotor de ferro 
fundido cinzento foram realizados em uma bancada composta por (a) um 
reservatório de PVC de 500 litros, (b) uma bomba centrífuga 32-125, construída 
em ferro fundido cinzento com (c) o rotor sendo revestido com metal duro, (d) 
acoplamento elástico tipo Normex tamanho AE67, (e) selo mecânico tipo 
M377/32 mm com sedes em carboneto de tungstênio e (f) motor elétrico de 1,0 
cv, 380 volts, 60 Hz. O equipamento e alguns detalhes construtivos estão 
representados na figura 22. 
A tabela 10 apresenta os principais dados operacionais para a bomba, 
informação obtida através do catálogo do fabricante (apêndice 1). 
 
 
 
Figura 22 - Conjunto motobomba adquirido comercialmente, modelo 32-125, do tipo 
mancalizada e demais acessórios constituintes da bancada desenvolvida pelo autor 
como motor, base, acoplamento, selo mecânico, valvula borboleta , tubos e conexões. 
 
As figuras 23(a) e 23(b) contêm as fotos respectivamente das