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ferro fundido branco ligado

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REDEMAT 
 REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS 
 UFOP – CETEC – UEMG 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
UFOP - CETEC - UEMG
 
 
Dissertação de Mestrado 
 
 
 
 
 
 
“Contribuição aos estudos dos mecanismos 
de interação das partículas abrasivas com as 
microestruturas de Ferros Fundidos em 
processo de desgaste” 
 
 
 
 
 
 
 
Autor: Luciano Alves Novelli 
Orientador: Prof. Adilson Rodrigues da Costa 
 
 
 
 
Dezembro de 2004 
 
 
REDEMAT 
 REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS 
 UFOP – CETEC – UEMG 
 
 
 
 
 
 
Luciano Alves Novelli 
 
 
“Contribuição aos estudos dos mecanismos de interação das partículas 
abrasivas com as microestruturas de Ferros Fundidos em processo de 
desgaste” 
 
 
 
 
 
 
 
 
Área de concentração: Engenharia de Superfície 
Orientador: Prof. Adilson Rodrigues da Costa 
 
 
 
Ouro Preto, dezembro de 2004. 
UFOP - CETEC - UEMG
Dissertação de Mestrado apresentada ao 
Programa de Pós-
Graduação em Engenharia de Materiais da 
REDEMAT, como parte integrante dos requisitos 
para a obtenção do título de Mestre em Engenharia 
de Materiais. 
ii 
Agradecimentos 
 
 
Inicialmente meu agradecimento é a Deus. 
 
A minha mãe, pelo apoio incontestável em todos os passos e decisões da minha vida. 
 
Ao Professor Adilson, primeiro pela oportunidade, mas também por acreditar e me 
orientar em tudo no que se relaciona ao desenvolvimento deste estudo, e por sua grande 
amizade. 
 
Aos meus irmãos Bethânia, Iara e Bruno, pelo apoio de sempre na família. 
 
A minha querida Daniela pelo apoio nos momentos difíceis. 
 
A República Senzala e aos Escravos pelo apoio e lição de vida. 
 
A Escola de Minas pelo suporte e a disponibilidade de todos os recursos necessários. 
 
A REDEMAT pelo suporte e condições de desenvolvimento deste trabalho. 
 
Aos técnicos administrativos pelo apoio na realização dos ensaios, em especial ao 
Graciliano e a Ivete. 
 
Ao meu amigo Ricardo Mattioli Silva, pela ajuda no que diz respeito ao aprendizado na 
empresa. 
 
Aos meus dois amigos e companheiros Pauliano e Carlos. 
 
E a todas as outras pessoas que, indiretamente me ajudaram neste trabalho. 
 
 
 
 
iii 
Sumário 
Página 
 
Lista de Figuras......................................................................................................................... vi 
 
Lista de Tabelas...................................................................................................................... viii 
 
Resumo .................................................................................................................................... ix 
 
Abstract ..................................................................................................................................... x 
 
1. Introdução.............................................................................................................................. 1 
 
2. Objetivos................................................................................................................................ 2 
 
3. Revisão Bibliográfica ............................................................................................................ 3 
 
3.1 Ferro Fundido ...................................................................................................................... 3 
 
3.1.1 Introdução ........................................................................................................................ 3 
 
3.1.2 Classificação das Ligas Ferrosas....................................................................................... 4 
 
3.1.3 Fatores Importantes na Obtenção do Ferro Fundido Branco ........................................... 5 
 
3.1.4 Efeito dos Elementos Químicos na Estrutura dos Ferros Fundidos ................................. 6 
 
3.1.5 Ferro Fundido Branco....................................................................................................... 7 
 
3.1.5.1 Obtenção das Principais Estruturas................................................................................ 8 
 
3.1.5.2 Efeito das Estruturas nas Propriedades.......................................................................... 8 
 
3.1.5.3 Estruturas Formadas....................................................................................................... 9 
 
3.1.5.4 Ferro Fundido Branco Alta Liga.................................................................................. 11 
 
3.1.5.5 Aplicações.................................................................................................................... 11 
 
3.1.6 Ferro Fundido Branco Alto Cromo................................................................................. 12 
 
3.1.6.1 Composições das Ligas sobre a Superfície Liquidus do Sistema Ternário Fe-C-Cr .. 12 
 
3.1.6.2 Classificação segundo a ASTM................................................................................... 13 
 
3.1.6.3 Microestrutura.............................................................................................................. 14 
 
3.1.6.4 Tratamentos Térmicos.................................................................................................. 15 
 
3.2 Desgaste .......................................................................................................................... 17 
iv 
 
3.2.1 Introdução sobre Desgaste ........................................................................................... 17 
 
3.2.2 Classificação do Desgaste ............................................................................................ 17 
 
3.2.3 Mecanismos de Desgaste ............................................................................................. 17 
 
3.2.3.1 Desgaste Adesivo ...................................................................................................... 18 
 
3.2.3.2 Desgaste Abrasivo .................................................................................................... 18 
 
3.2.3.3 Desgaste Erosivo ....................................................................................................... 24 
 
3.2.3.4 Desgaste por Fadiga de Superfície ............................................................................ 30 
 
3.2.3.5 Desgaste por Oxidação .............................................................................................. 30 
 
4. Procedimento Experimental ................................................................................................ 31 
 
4.1 Identificação das ligas ....................................................................................................... 31 
 
4.2 Composição química ......................................................................................................... 32 
 
4.3 Tratamento térmico ........................................................................................................... 32 
 
4.4 Ensaio de Dureza .............................................................................................................. 33 
 
4.5 Análise Metalográfica (Microscopia Ótica e Microscopia Eletrônica de Varredura) ....... 33 
 
4.6 Ensaio de desgaste abrasivo ..............................................................................................36 
 
4.7 Estudo das partículas abrasivas ........................................................................................ 40 
 
5. Resultados e Discussão ........................................................................................................42 
 
5.1 Análise metalográfica........................................................................................................ 42 
 
5.2 Percentual de carbonetos.................................................................................................... 46 
 
5.3 Ensaio de dureza ............................................................................................................... 47 
 
5.4 Interação das partículas abrasivas com a estrutura dos ferros fundidos estudados............ 48 
 
5.5 Análise de um corte transversal da amostra na região da calota........................................ 49 
 
5.6 Morfologia dos microconstituintes ................................................................................... 52 
 
5.7 Ensaio de desgaste ............................................................................................................ 53 
 
5.8 Análise das partículas abrasivas ........................................................................................ 58 
v 
 
5.9 Validação da Equação LESTA.......................................................................................... 62 
 
6. Conclusões .......................................................................................................................... 63 
 
7. Sugestões para trabalhos futuros.......................................................................................... 65 
 
8. Referências Bibliográficas................................................................................................... 66 
 
9. Anexos................................................................................................................................. 71 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
vi 
 
 
Lista de Figuras 
 
Item de Referência Título Página 
 
1. Bomba de polpa em estudo .............................................................................................. 1 
3.1 Diagrama de equilíbrio Fe–C............................................................................................ 3 
3.2 Classificação das ligas ferrosas fundidas.......................................................................... 4 
3.3 Estruturas típicas de ferro fundido branco........................................................................ 7 
3.4 Ligas sobre a superfície liquidus do sistema ternário Fe-C-Cr....................................... 13 
3.5 Simulações de desgaste abrasivo. .................................................................................. 19 
3.6 Efeito das partículas na estrutura dos materiais em relação a sua resistência ao desgaste 
abrasivo.................................................................................................................................... 22 
3.7 Partículas de abrasivas de minério de ferro e sílica........................................................ 23 
3.8 Morfologia das partículas de sílica................................................................................. 23 
3.9 Simulação de desgaste erosivo........................................................................................ 24 
3.10 Influência da forma da partícula no processo de desgaste............................................ 26 
3.11 Efeito dos carbonetos na estrutura do material............................................................. 27 
4.1 Amostras de ferro fundido branco alto cromo antes dos ensaios de abrasão.................. 30 
4.2 Ilustração do desgaste no teste de abrasão com bola...................................................... 36 
4.3 Máquina de ensaio: (a) vista de frente (b) Vista lateral ................................................. 37 
4.4 Resultado do ensaio de abrasão sobre a superfície do corpo de prova .......................... 37 
4.5 Equação para cálculo do volume da calota..................................................................... 38 
4.6 Equação para cálculo do volume da calota segundo Hutching....................................... 39 
5.1 Fotomicrografias das ligas estudadas ............................................................................. 42 
5.2 Fotomicrografias das ligas estudadas (Zoom de 100X a 500X)..................................... 44 
5.3 Partículas abrasivas golpeando a superfície de duas amostras....................................... 47 
5.4 Comportamento das partículas abrasivas na superfície das ligas................................... 48 
5.5 Seção transversal da amostra com região desgastada .................................................... 49 
5.6 Morfologia dos carbonetos primários em uma liga hipereutética .................................. 49 
5.7 Região de corte e análise das amostras........................................................................... 50 
5.8 Carbonetos distribuídos próximo à superfície da amostra.............................................. 50 
5.9 Gráfico de perda de massa para a Liga A....................................................................... 53 
vii 
5.10 Gráfico de perda de massa para a Liga B...................................................................... 53 
5.11 Gráfico de perda de massa para a Liga C. .................................................................... 53 
5.12 Gráfico de perda de massa para a Liga D. ................................................................... 54 
5.13 Gráfico de perda de massa para a Liga E. .................................................................... 54 
5.14 Gráfico de perda de massa para a Liga A. ................................................................... 55 
5.15 Gráfico de perda de massa para a Liga B. .................................................................... 55 
5.16 Gráfico de perda de massa para a Liga C. .................................................................... 56 
5.17 Gráfico de perda de massa para a Liga D. ................................................................... 56 
5.18 Gráfico de perda de massa para a Liga E. .................................................................... 56 
5.19 Lâminas com ( a ) 3000x, e ( b )10.000x pasta de 1Mm.............................................. 57 
5.20 Partículas abrasivas com até 3 µm (a) aumento 500X (b) aumento 1500X. ................ 58 
5.21 Partículas abrasivas ( P ) e partículas metálicas ( M ). ................................................ 58 
5.22 Efeito de uma partícula maior e de diversas partículas menores sobre a superfície da 
amostra. ................................................................................................................................... 59 
5.23 Efeito das partículas em cada amostra. ........................................................................ 60 
5.24 Curvas de perda de massa desenvolvidas por duas equações. ..................................... 61 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
viii 
 
 
 
Lista de Tabelas 
 
Item de Referência Título Página 
 
3.2 Dureza dos materiais abrasivos..................................................................................... 28 
 
4.1Amostras utilizadas nos ensaios.................................................................................... 30 
 
4.2 Composição química das ligas...................................................................................... 31 
 
5.1 Percentual de superfície das amostras ocupado pelo carbonetos.................................. 45 
 
5.2 Dureza das ligas antes do tratamento térmico............................................................... 46 
 
5.3 Dureza das ligas após o tratamento térmico. ................................................................ 46 
 
5.4 Roundness antes do tratamento térmico........................................................................ 51 
 
5.5 Roundness após o tratamento térmico. ......................................................................... 51 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ix 
 
 
 
Resumo 
 
 
 
Este estudo permitiu avaliar o desgaste de alguns ferros fundidos alto cromo empregados em 
componentes de bombas centrífugas, utilizadas em circuitos de bombeamento de polpas de 
minério de ferro. O desgaste é provocado pela ação erosiva e abrasiva das partículas de sílica 
e de minério de ferro presentes na polpa. 
 
Ao longo dos trabalhos foram desenvolvidas análises metalográficas das amostras tal como 
elas foram fabricadas e após tratamento térmico de tempera em óleo, análise do percentual de 
carbonetos, ensaio de dureza HRc , caracterização da interação das partículas abrasivas com a 
estrutura dos ferros fundidos. O efeito da morfologia dos carbonetos presentes na matriz e sua 
relação com o desgaste foi analisado levando em conta o “grau de arredondamento” dos 
carbonetos de cromo. Ensaios de perda de massa com abrasivo contendo partículas de 
tamanho médio de 3µ e 6 µm permitiram quantificar as taxas de desgaste de modo a 
correlacioná-las com as microestruturas. 
 
Estes testes, realizados por intermédio do “ensaio de abrasão com esfera” (ball abrasion test), 
permitiram verificar o efeito dos elementos de liga, presentes em alguns ferros fundidos com 
alto teor em cromo, na diminuição da resistência ao desgaste destes materiais. 
 
Os resultados obtidos contribuíram para ampliar nossa compreensão sobre o desgaste de 
ferros fundidos alto cromo, em particular no que se refere à interação das partículas abrasivas 
com a matriz e os carbonetos nela distribuídos. 
 
 
 
 
 
 
x 
 
 
Abstract 
 
 
The evaluation of wear (loss of mass during time) of some mechanical components used in 
circuits of iron ore slurry pumping represents an economical relevant problem in mining 
industry. Cast irons with high chromium content is the most frequently material having 
desired properties for this application. 
 
The aim of this study is to contribute to the understanding of abrasion wear mechanisms in 
high chromium content cast irons. The main mechanism of wear is the erosive and abrasive 
action of silica and ore iron particles present in the slurry being pumping. 
 
 Abrasion ball laboratory test was adapted in order to simulate similar conditions as those 
present in industry and then correlate microstructural features and material behavior under 
abrasion. As received alloys were compared with oil quenched samples of the same alloys so 
that changes in carbides content, morphology and distribution could be taking into account 
during loss of mass analyses and abrasive particles to matrix and carbides interaction. 
 
Scanning electron microscopy (SEM), as well as image analyses allow us to observe a great 
variety of features involving wear mechanisms is this microstructures and better understand 
the role of abrasive particles in the wear phenomena. 
 
 
 
 
 
 
 
1 
1. Introdução 
 
O desgaste em ferro fundido branco alto cromo é um dos fatores mais importantes no que diz 
respeito aos custos durante o processamento mineral envolvendo polpas. Estas ligas são 
elaboradas de modo a oferecerem resistência ao desgaste, principalmente em condições 
abrasivas e erosivas. O ferro fundido branco contém grandes quantidades de carbonetos duros, 
que são responsáveis pela alta dureza. Além de apresentar resistência ao desgaste elevada 
possui boa resistência à corrosão, baixa expansão térmica e são não-magnéticas. 
 
Neste estudo foram analisadas cinco amostras de ferro fundido branco alto cromo, fornecidas 
pelos fabricantes de componentes de bombas para circuitos de bombeamento de polpa de 
minério de ferro, que são aplicados nos enxertos e rotores. Estas amostras foram fundidas nas 
mesmas condições que os componentes, mantendo assim o mesmo padrão. 
 
Estudou-se a influência das partículas abrasivas, simulando a ação da sílica e do minério de 
ferro, presentes nas polpas de minério atuando como elementos que provocam desgaste em 
peças de ferro fundido branco ligado ao cromo. 
A caracterização levou em conta as propriedades mais importantes nos estudos de desgaste 
quais sejam: a dureza, a morfologia e a granulometria das partículas abrasivas. A simulação 
experimental foi realizada utilizando suspensões abrasivas de diamante com tamanho médio 
das partículas dispersas de 3µm e 6µm. 
 
Foi possível evidenciar diversos parâmetros relacionados ao desgaste dos ferros fundidos 
identificando aspectos relacionados à interação das partículas abrasivas com a microestrutura. 
Informações relativas ao desempenho ao desgaste desses ferros fundidos são importantes para 
que se possam escolher materiais mais adequados e assim baixar os custos operacionais de 
manutenção, aumentando consideravelmente a vida útil destes. 
 
 
 
 
 
 
Figura 1 – Bomba de polpa em 
estudo. 
2 
2. Objetivos 
 
 
O trabalho se desenvolve na investigação de meios que permitam quantificar e avaliar o 
desgaste ocorrido em ferro fundido branco alto cromo, submetido a ação de partículas que 
provocam erosão e abrasão. 
 
Desta forma, o trabalho irá focar duas diferentes frentes com o mesmo objetivo. 
 
 A primeira foi um estudo com diversas técnicas para poder quantificar e qualificar o desgaste 
dos materiais metálicos em termos microestruturais. 
 
Na segunda etapa foram analisadas as partículas que provocam tal efeito, analisando 
parâmetros importantes para se entender uma maior ou menor ação desgastante destas 
partículas sobre a superfície metálica. 
 
E, finalmente correlacionar estas duas para poder criar um critério de seleção de materiais 
resistentes ao desgaste, neste tipo de situação. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3 
3. Revisão Bibliográfica 
3.1 Ferro Fundido 
3.1.1 Introdução 
 
Trata-se de uma liga ferro-carbono-silício, com teores de carbono geralmente acima de 2%, 
em quantidade superior à que é retida em solução sólida na austenita, de modo a resultar em 
carbono parcialmente livre, na forma de glóbulos ou lamelas de grafita. [1] 
 
A figura 3.1 representa o diagrama referente à liga binária Fe-C. [2] 
 
A partir dele, podemos fazer algumas considerações relativas à classificação dos ferros 
fundidos em termos de percentuais de carbono; 4,3% de carbono corresponde à liga com o 
mais baixo ponto de solidificação ou fusão, denominada liga eutética. Ligas entre 2,0 e 4,3% 
de carbono correspondem às chamadas ligas hipoeutéticas e as ligas com teores superiores a 
4,3% de carbonos são denominadas hipereutéticas. [1] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.1 – Diagrama de equilíbrio Fe-C. [2] 
 
4 
3.1.2 Classificação das Ligas Ferrosas 
 
Ferro fundido e aço constituem-se em produtos mais complexos, quando neles são 
adicionados elementos de liga. É possível uma grande variedade de microestruturase 
propriedades resultantes, dependendo da composição química, condições de solidificação e do 
tipo de tratamento térmico. [3] 
 
A figura 3.2 apresenta uma classificação para as ligas ferrosas fundidas, com algumas 
características relacionadas ao tipo de carboneto e matriz do ferro fundido branco. [3] 
 
 
 
 
 
Figura 3.2 – Classificação das ligas ferrosas fundidas. [3] 
 
Desta forma os ferros fundidos podem ser designados como: 
 
� Ferro branco – Virtualmente livre de grafita apresenta como fases ricas em carbono a 
cementita e outros carbonetos metálicos. A solidificação é baseada no diagrama 
metaestável Fe-Fe3C. 
� Ferro cinzento - Onde a solidificação obedece ao diagrama de fases estável Fe-C e a 
grafita apresenta-se na forma de veios. 
Resistente ao desgaste
Aplicações a altas temperaturas
Perlítico
Martensítico
M C
Ferrítico
M C
Ferrítico
Martensítico
Austenítico
M C
Ferrítico
Martensítico
Austenítico
MC
Carbonetos
Branco Mesclado Cinzento Dúctil Maleável
Ferro Fundido
Classificação pelo nome
comercial, aplicações e estrutura
Ligas Ferrosas
M4 C3 M3 C M7 C3 M C 
Branco 
M3C (M = Fe, Cr, Mo) 
M4C3 (M= Cr, Fe) 
M7C3 (M= Fe, Cr) 
MC (M= Fe, Cr) 
 
5 
� Ferro mesclado - Que apresenta uma mistura entre os dois modos de solidificação 
mencionados, apresentando zonas de ferro cinzento e zonas de ferro branco. 
� Ferro nodular - Também chamado de ferro dúctil, nos quais a grafita apresenta-se em 
forma de nódulos ou esferóides no estado bruto de fundição, como resultado da adição 
de elementos que modificam o modo de crescimento da grafita. 
� Ferro maleável – É um ferro branco que sofreu processo de grafitização como 
resultado da decomposição da cementita. 
� Ferro vermicular – A grafita apresenta-se na morfologia vermicular, que é um estado 
intermediário entre a grafita nodular e em veios. 
� Ferros especiais – são ligas que apresentam porcentagens consideráveis de outros 
elementos de liga, além do Fe e C, e têm aplicações especiais, tais como aquelas que 
requerem: resistência à corrosão, resistência à oxidação em temperaturas elevadas e 
elevada resistência mecânica. Os ferros fundidos especiais possuem uma vasta 
variedade de microestruturas. [4] 
3.1.3 Fatores Importantes na Obtenção do Ferro Fundido Branco [2] 
 
Quando todo o carbono está sob a forma combinada, a fratura da peça é de aspecto claro, 
esbranquiçado, donde o nome de ferro fundido branco; quando parte do carbono está sob a 
forma de grafita, o aspecto da fratura é escuro, o que deu origem à designação de ferro 
fundido cinzento. 
A formação da maior parte da grafita se dá normalmente na solidificação do eutético e 
depois do metal solidificado, enquanto estiver acima de 700º C. Nos ferros fundidos 
hipoeutéticos sem silício, a grafita raramente se forma entre as linhas “liquidus” e 
“solidus”. Seu aparecimento, nesse intervalo, é mais freqüente nos ferros fundidos 
hipereutéticos. A grafita normalmente se separa no momento de solidificação do líquido, 
mas também pode resultar da decomposição da cementita. 
 
Fe3C → 3 Fe + C (grafita) 
 
Dois fatores são importantes durante a fabricação (ao se solidificar) do ferro fundido para 
saber se este será branco ou cinzento: 
� Composição química; 
� Velocidade de esfriamento. 
6 
3.1.4 Efeito dos Elementos Químicos na Estrutura dos Ferros Fundidos [2] 
 
Alguns elementos, em presença de teores mais altos de carbono, exercem notável influência 
sobre a microestrutura e as propriedades dos ferros fundidos, porque, é de suas proporções 
que dependerá da formação ou não de grafita e, portanto, se o produto resultante será branco 
ou cinzento. 
 
Carbono – Geralmente o carbono se encontra com teores entre 2,5 e 3,8%. Com teores baixos 
há tendência para formar o tipo branco; à medida, que o teor de carbono cresce, melhoram as 
condições para o material se tornar cinzento. Nos ferros fundidos brancos, a dureza se eleva 
com o teor de carbono, porque aumenta a quantidade de cementita. 
 
Silício – Depois do carbono é o elemento mais importante nos ferros fundidos. Ele favorece a 
decomposição da cementita em ferrita e grafita. Desta forma adiciona-se este elemento para se 
produzir o ferro fundido cinzento. Com pouco ou nenhum silício, o ferro fundido apresenta, 
em geral, fratura branca. 
 
Cromo – É adicionado principalmente para compensar os efeitos grafitizantes do silício e do 
níquel em alguns tipos de ferro fundido, com teores entre 1,4 a 3,5% de Cr. Em outros tipos, 
nos quais os teores são superiores a 7% de Cr tem a finalidade de formar carbonetos, como o 
eutético(M7C3), que são mais duros. [5] 
 
Manganês – Tem ação contrária à do silício, pois dificulta a decomposição da cementita; em 
teor muito elevado, pode anular a ação do silício e o ferro fundido então resultar branco. Seu 
principal papel nos ferros fundidos comuns é, porém, neutralizar a ação do enxofre, formando 
com este MnS. Atua também como desoxidante, tal como nos aços. [2] 
 
Fósforo – Quando em teores normais é grafitizante e não desempenha um papel 
preponderante; em teores elevados, contribui para a fragilidade e atua como estabilizador da 
cementita. Contudo, a sua presença é às vezes desejada por aumentar a fluidez do metal 
líquido, o que permite moldar peças de paredes mais finas e de contornos mais nítidos. O 
fósforo forma com o ferro um constituinte denominado steadita. [2] 
7 
Enxofre – Age mais ou menos como o manganês; sob a forma de sulfureto de ferro torna o 
material mais sensível as conseqüências de um resfriamento rápido. Esse elemento tem 
marcada influência no tipo de grafitização. [2] 
 
3.1.5 Ferro Fundido Branco 
 
Nestes materiais, praticamente todo o carbono se apresenta na forma combinada de carboneto 
de ferro Fe3C mostrando uma superfície de fratura clara. Suas propriedades fundamentais, 
devido justamente aos níveis elevados de cementita(Fe3C), são alta dureza e resistência ao 
desgaste. Em conseqüência, sua usinagem é prejudicada, ou seja, esses materiais são muito 
difíceis de se usinar, mesmo com os melhores materiais de corte. [1] 
 
Na figura 3.3 são mostradas as microestruturas típicas do ferro fundido branco, onde a figura 
(a) mostra uma microestrutura hipoeutética, que consiste de colônias de perlita em uma matriz 
de ledeburita. No caso da figura (b) é visível uma microestrutura eutética que consiste 
principalmente de ledeburita, com um numero limitado de colônias de perlita e, na figura (c) 
tem-se uma microestrutura hipereutética, com uma região clara de cementita e o restante da 
microestrutura é formado por ledeburita. [6] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.3 - Estruturas típicas de ferro fundido branco [6] 
 
 
( a ) ( b ) ( c ) 
100X 
8 
3.1.5.1 Obtenção das Principais Estruturas 
 
Se o ferro fundido se encontra antes do ponto eutético com muito pouco silício e, contêm 
quantidades apreciáveis de carbonetos ou possui elementos estabilizadores, ou então a taxa de 
resfriamento é suficientemente rápida, então há possibilidades de se formar dendritas de 
austenita. O líquido restante no espaço interdendrítico estará enriquecido em carbono e a 
solidificação formará um eutético de cementita e austenita, conhecido como ledeburita. De 
outra forma, se a temperatura do sólido é mantida entre 720 – 750 ºC, a austenita (ferro γ ) se 
transforma em ferrita (ferro α ), com carbono praticamente insolúvel. Nesta situação o 
carbono é rejeitado na forma de cementita, em lamelas que alternam para formar a estrutura 
conhecida como perlita. [7] 
 
A estrutura de um ferro fundido branco à temperatura ambiente consiste em dendritasprimárias de perlita com áreas interdendriticas de ledeburita transformada que é uma estrutura 
eutética de cementita e perlita. As áreas de perlita são formadas da austenita original. Em 
alguns casos, a austenita produzida durante a solidificação do eutético final de cementita e 
austenita é depositado nas dendritas da austenita existente, e as áreas interdendriticas são 
predominantemente de carbonetos. A estrutura final consistirá então em dendritas de perlita 
cercados por cementita que contém muito pouca perlita da transformação eutética. [7] 
3.1.5.2 Efeito das Estruturas nas Propriedades 
 
Estes ferros fundidos são caracterizados por uma fratura completamente branca e uma dureza 
alta (400 - 600 HV) que é uma média dos carbonetos(900 - 1200 HV) e da perlita ( 200 - 300 
HV). Vários faixas de ferro fundido branco estão disponíveis e dependem de basicamente da 
composição química e do tipo de tratamento térmico. Os ferros fundidos brancos baixa liga 
contêm entre 2,4 e 3,4% carbono e até 2% cromo. Nestes a dureza alcança valores em torno 
de 350 HV na condição bruta de fusão. Aumentando o conteúdo de cromo (até 10%), também 
é possível aumentar o conteúdo de carbono para produzir maiores quantidades de carbonetos. 
Adições de níquel, com tratamento térmico adequado pode produzir uma estrutura 
martensítica, em lugar da estrutura de matriz perlítica. [7] 
 
 
9 
Estas mudanças têm o efeito global de aumentar a dureza para 600 HV e reduzir o efeito de 
sensibilidade de seção. Quando aumentos de resistência à corrosão e resistência à abrasão são 
requeridos, podem ser usados ferros fundidos brancos que contêm até 28% cromo, mas como 
a porcentagem de carbono também deve aumentar, acarretará em diminuições de resistência 
ao impacto. Assim, é importante equilibrar a composição cuidadosamente para obter a melhor 
combinação de propriedades para aplicações específicas. 
Estes ferros fundidos quando tratados termicamente desenvolvem uma dureza máxima de até 
aproximadamente 700 HV. [7] 
3.1.5.3 Estruturas Formadas 
 
Para aplicações resistentes a desgaste crítico, é recomendado que a microestrutura e a dureza 
da superfície tenham sido adequadas e, de fato controladas, a fim de atender às especificações 
industriais.A principal razão em termos da microestrutura está ligada diretamente ao controle 
das propriedades que estes irão apresentar após solidificação, que alem disto irá variar 
conforme a espessura da peça. A seguir serão descritas as estruturas que podem ser obtidas 
nos ferros fundidos brancos. [7] 
 
Ferrita 
 
Quando tratamos de ferro fundido e, falamos em estrutura ferrítica, esta se apresenta em uma 
única fase de solução sólida com silício em quantidades que variam de acordo com a estrutura 
da grafita. Entre os fatores que a definem estão à taxa de resfriamento e a quantidade de 
carbono na forma de grafita. A quantidade tende a aumentar como as diminuições das taxas 
de resfriamento e com aumento da quantidade de silício. Geralmente, estruturas 
completamente de ferrita são obtidas com o tratamento térmico de recozimento. Devido à 
baixa dureza a ferrita normalmente é evitada em regiões que serão submetidas ao desgaste. 
 
Perlita 
 
A perlita consiste em lamelas alternadas de ferrita e cementita. O grau de refino da estrutura 
depende da taxa de resfriamento. Em termos de aspecto, a perlita quando observada a baixas 
ampliações aparece como uma cor de tom acinzentado. 
 
10 
Esta estrutura é formada pela transformação de austenita durante resfriamento normal no 
molde ou ao ar no intervalo de temperatura compreendido entre 720 a 900 ºC. 
Esta é uma matriz altamente desejável para materiais resistentes ao desgaste, uma vez que sua 
estrutura é apresenta dureza elevada. 
 
Cementita 
 
A cementita (Fe3C) na forma do eutético é um componente branco, duro, formado durante a 
solidificação. È encontrada em ferro fundido mesclado ou branco, formada pela 
transformação de austenita na temperatura crítica, sob a forma de lamelas de perlita. 
Carbonetos eutéticos podem aumentar a dureza melhorando a resistência ao desgaste. 
Carbonetos mais duros podem ser obtidos pela adição de Cr e/ou Mo. 
 
Martensita 
 
A martensita tem uma forma acicular quando observada ao microscópio. É uma estrutura 
resultante de tratamentos com altas taxas de resfriamento, por exemplo, a têmpera. A presença 
de martensita implica em valores elevados de dureza o que significa melhoria na resistência a 
abrasão. 
 
Bainita (acicular) 
 
A estrutura de transformação bainitica é produzida por resfriamento isotérmico. Estas são 
freqüentemente chamadas de ferrita acicular e são mais resistentes que a martensita e, mais 
duras e mais fortemente ligada do que a perlita. Esta estrutura pode alcançar faixas superiores, 
da ferrita acicular, do que a martensita, que depende do tempo de transformação, composição, 
e outros fatores. Tratamentos térmicos de austêmpera podem ser aplicados e aumentam a 
resistência em situações de tensões mais críticas, encontradas em engrenagens de trens, por 
exemplo. 
 
 
 
 
 
11 
Austenita 
 
A estrutura austenítica pode ser obtida a temperatura de um quarto da temperatura crítica pela 
adição de elementos de liga, como níquel e manganês que diminuem a temperatura crítica à 
qual ocorre à transformação da γ para α . 
Embora a transformação possa ser suprimida à temperatura de um quarto da temperatura de 
austenitização, ainda pode acontecer a uma temperatura mais baixa e irá depender da 
quantidade de elementos de liga. Estes ferros normalmente não são usados em aplicações 
resistentes ao desgaste. 
 
3.1.5.4 Ferro Fundido Branco Alta Liga 
 
Os ferros fundidos brancos alta liga são ligas nas quais a produção deve ser analisada 
separadamente dos demais ferros fundidos. Nestas ligas ferrosas, o percentual de elementos 
de liga é superior a 4%, e, por conseguinte elas não podem ser produzidas por adições em 
panelas de fundição. Normalmente são produzidas em fundições especiais equipadas para 
produzir ferros fundidos altamente ligados. 
Estas ligas ferrosas são fundidas em fornos elétricos, especificamente fornos a arco elétrico ou 
fornos a indução nos quais o controle de composição e temperatura é mais preciso. [5] 
 
3.1.5.5 Aplicações 
 
Os ferros fundidos brancos, alta liga, geralmente são aplicados em peças que deverão resistir a 
altas taxas de abrasão e erosão, com durezas bem elevadas e superior resistência a 
corrosão.[8] 
Aplicados em peças de britadores, moinhos e em circuitos de tratamento de materiais 
abrasivos. O percentual de cromo em ferro fundido branco também aumenta as propriedades 
de resistência à corrosão. O percentual de carbonetos eutéticos e/ou primários na 
microestrutura destes justifica a alta dureza necessária para britar/moer outros materiais. A 
matriz metálica que apóia a fase carboneto nesta liga ferrosa pode ser ajustada pela 
composição da liga e pelo tratamento térmico para desenvolver uma estrutura resistente a 
impactos constantes. [9] 
12 
3.1.6 Ferro Fundido Branco Alto Cromo 
 
No ferro fundido branco com alto teor em cromo, como a maioria dos materiais resistentes à 
abrasão, há uma relação entre resistência ao desgaste e dureza. Variando a composição e o 
tratamento térmico, as propriedades do ferro fundido podem ser ajustadas para satisfazer as 
necessidades da maioria das aplicações em situações abrasivas. 
Como uma classe, o ferro fundido alto-cromo é caracterizado pelo carboneto M7 C3 (eutético 
duro), relativamente descontínuo que aparece na microestrutura, ao invés do mais macio, que 
é o carboneto contínuo M3C; carboneto eutético que aparece no ferro ligado que contêm 
menos cromo. Estas ligas normalmente são produzidas com composições hipoeutéticas. [5] 
 
 Nestes ferros fundidos podemosobter estruturas com o carboneto M7C3, com matriz ferrítica 
e fases de grafita. Esta microestrutura é semelhante à de um ferro fundido branco alto cromo 
com grafita dispersa. Cada fase mostra propriedades mecânicas diferentes. O carboneto M7C3 
possui alta dureza e excelente resistência principalmente se comparado com a cementita. 
 
A matriz ferrítica melhora as propriedades mecânicas da liga, como dureza e resistência à 
tração, quando submetida a um tratamento térmico. [10] 
3.1.6.1 Composições das Ligas sobre a Superfície Liquidus do Sistema Ternário Fe-C-Cr 
 
O emprego industrial dos ferros fundidos brancos, alto cromo, estimulou a realização de 
estudos fundamentais tanto com o objetivo de caracterizá-los quanto visando conhecer o 
sistema ternário Fe-Cr-C. 
 
Este sistema é limitado pelos três diagramas binários: Fe-C, Cr-C e Fe-Cr. O diagrama de 
equilíbrio fornece subsídios em relação aos tipos de carbonetos e fases metálicas que são 
estáveis para uma dada composição e temperatura e informações qualitativas sobre o limite de 
solubilidade do carbono e do cromo na austenita, e em sua variação com a temperatura. [9] 
 
Na figura 3.4 as composições estudadas são apresentadas sobre a projeção da superfície 
liquidus do sistema Fe-Cr-C. [12] 
 
 
13 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.4 – Ligas sobre a superfície liquidus do sistema ternário Fe-C-Cr. [12] 
 
3.1.6.2 Classificação segundo a ASTM 
 
Conforme as normas ASTM o ferro fundido branco alto cromo é classificado como tipo 
A532. O ferro cromo-molibdênio (classe II da ASTM A532) contendo 11 a 23% Cr e até 
3,5% Mo pode ser formado de uma matriz austenítica ou matriz austenitica-martensitica, ou 
tratado termicamente e ter uma microestrutura de matriz martensítica resistente à abrasão e de 
máxima dureza. Eles normalmente são considerados os mais duros de todos os ferros brancos. 
Comparado ao níquel-cromo de baixa liga, nele os carbonetos eutéticos são mais duros e 
podem ser tratados termicamente para alcançar valores de dureza mais alta. Molibdênio, 
níquel e cobre quando necessário são adicionados para prevenir formação de perlita e 
assegurar dureza máxima.[5] 
 
O ferro fundido classe III da ASTM A532 representa a classe mais antiga de ferro fundido 
alto-cromo, com uma das primeiras patentes, em torno de 1917. Este possui em geral teores 
entre 25% e 28% de Cr e com até 1,5% Mo. 
Deve-se prevenir a formação de perlita, ligando com níquel e cobre em até 1% . Embora o 
máximo de dureza atingida não ser tão alta quanto na classe II, estas ligas são selecionadas 
quando a resistência à corrosão também for desejada. [5] 
Porcentagem em peso de carbono 
14 
3.1.6.3 Microestrutura 
 
Os microconstituintes formados durante a solidificação dos ferros fundidos brancos de alto 
cromo são: 
 
Carbonetos - Que se são as fases mais duras e resistentes ao desgaste, mas também são muito 
frágeis (quando submetidos a impactos), sendo os carbonetos do tipo M7C3 mais refinados, 
com matriz constituída por uma mistura de martensita e austenita com pequenos carbonetos 
precipitados no interior da matriz, os mais resistentes. [13] 
 
Austenita bruta de fusão – A solidificação nas ligas hipoeutéticas ocorre através da formação 
das dendritas de austenita, seguida pela formação eutética de austenita e carbonetos eutéticos 
M7C3. Desta maneira tem-se a formação da austenita bruta de fusão.[13] 
 
Eutético da Austenita – A quantidade de austenita formada na solidificação determina a 
microestrutura do eutético. Sendo que, quando a fração volumétrica de austenita primária é 
elevada, o carboneto tende a segregar ao longo dos contornos de grão. Esta microestrutura 
corresponde a de um eutético divorciado, no qual a fase austenita do eutético se deposita 
sobre a austenita primária, ficando o carboneto na forma de plaquetas alongadas. 
 
A morfologia do carboneto −γ M7C3 pode ser classificada como descontínua em comparação 
com a do eutético −γ M3C, atribuindo a esta diferença de morfologia, as melhores 
propriedades de impacto dos ferros fundidos brancos de alto cromo em relação aos ferros 
fundidos brancos comuns.[13] 
 
Martensita bruta de fusão – A estrutura martensítica pode ser obtida na forma bruta de 
fundição em fundidos com seções espessas, durante o resfriamento lento no molde. Com 
pequenas velocidades de resfriamento, a estabilização austenítica é incompleta e ocorrem 
transformações parciais da martensita. 
Nestes ferros fundidos, a martensita se encontra misturada com grandes teores de austenita 
retida, e, por conseguinte, os níveis de dureza são baixos se comparados com os fundidos 
martensíticos obtidos por tratamentos térmicos. 
15 
Tratamentos térmicos subcríticos são usados para reduzir o teor de austenita e, ao mesmo 
tempo, aumentar a dureza e resistência ao desgaste. [13] 
 
3.1.6.4 Tratamentos Térmicos 
 
O objetivo do tratamento térmico do ferro fundido branco é reduzir as tensões que se originam 
pelas diferentes velocidades de resfriamento e, conseqüentemente de solidificação, que se 
verificam através das seções das peças. 
Pelo tratamento térmico procura-se, igualmente, melhorar as propriedades mecânicas do 
material, onde a estrutura é tipicamente fundida e, portanto, pouco regular, do tipo dentrítica. 
O refino dessa estrutura é, assim, essencial, sobretudo quando as peças são sujeitas a esforços 
mecânicos de choque.[1] 
 
O tratamento térmico aplicado aos ferros fundido brancos com alto cromo podem ser 
classificados em: 
 
Tratamento térmico de desestabilização da austenita - Ocorre em dois domínios de curvas dos 
diagramas CCT. 
 
� Sendo que no primeiro são observados duas regiões, uma acima de A3, onde se 
observa a reação: 
+→ γγ M7C3 
 
e a outra situada entre A3 e A1, onde se observa a reação: 
 
++→ αγγ M23C6 
 
E mesmo nestas regiões podem ocorrer precipitações de carbonetos do tipo M7C3. 
 
� O segundo domínio tem cotovelo próximo a 650-700 ºC, onde se observa a reação: 
 
+→ αγ M3C 
16 
A precipitação de carbonetos secundários altera a composição da austenita metaestável, 
empobrecendo-a em carbono, cromo e outros elementos de liga (quando presentes). Esta 
austenita passa para uma condição desestabilizada, tendo suas características de 
transformação alteradas.[11] 
 
A precipitação de carbonetos secundários inicia-se na interface austenita/carboneto, e em 
alguns contornos de grão, e progride aleatoriamente para o interior da austenita. O carboneto 
assim formado é globular e finamente distribuído na matriz. [11] 
 
 Tratamento térmico de têmpera – Para obtenção de matrizes martensíticas é imprescindível à 
precipitação de carbonetos secundários para desestabilizar a austenita. 
 
Os tratamentos térmicos com este objetivo são realizados, normalmente, entre 950 – 1050 ºC, 
com posterior resfriamento ao ar ou em óleo. Dependendo da composição química e da 
velocidade de resfriamento, a microestrutura resultante constitui-se de perlita, bainita, 
martensita ou mistura desses constituintes, podendo conter ainda austenita retida. [11] 
 
Tratamento térmico de revenido - É executado, principalmente para fundidos de seções 
grossas e temperados, para reduzir o teor de austenita residual que é associada a problemas de 
lascamento em peças sujeitas a impactos repetidos. 
A quantidade de austenita residual nos ferros fundidos brancos de alto cromo, tratados 
termicamente, pode ser reduzida por tratamento isotérmico a temperaturas entre 450 e 650 ºC. 
A resposta a este tipo de tratamento depende da quantidade de austenita retida e da sua 
composição. [11] 
 
Durante o revenimento, são precipitados carbonetos na austenita que se torna empobrecida em 
carbono e elementos de liga. A temperatura Ms dessa austenita aumentafavorecendo a 
transformação martensítica. No revenimento, excesso de tempo de permanência ou de 
temperatura resulta em diminuição da dureza e, conseqüente, redução da resistência ao 
desgaste. [11] 
 
 
17 
3.2 Desgaste 
 
3.2.1 Introdução sobre Desgaste 
 
Segundo Hutching [13] sempre que superfícies movem umas contra as outras, ocorre 
desgaste; um dano para uma ou ambas superfícies, geralmente envolvendo perda progressiva 
de material. Na maioria dos casos, isso é prejudicial e conduz a liberações progressivas de 
material entre os componentes móveis. 
 
3.2.2 Classificação do Desgaste 
 
Há três modos aparentes nos quais o desgaste pode ser classificado. O primeiro está associado 
ao aparecimento de uma marca de desgaste. Um segundo modo leva em conta os mecanismos 
físicos que removem o material. O terceiro relaciona-se com as condições que cercam a 
situação do desgaste. Exemplos da primeira categoria são: corrosão, lascamento, arranhão, 
polimento, fenda, fricção e desgaste. Condições como adesão, abrasão, oxidação e erosão são 
exemplos do segundo tipo de classificação. E, para o terceiro modo podemos citar como 
exemplos: desgaste com lubrificação, desgaste sem lubrificação, desgaste de metal-contra-
metal, desgaste rolante, desgaste por deslizamento e desgaste metálico em altas temperaturas. 
Todos os três métodos de classificação são úteis ao engenheiro, mas de modos diferentes. 
[14] 
 
3.2.3 Mecanismos de Desgaste 
 
Uma classificação do “desgaste” deve levar em conta a maneira segundo a qual o material 
perde massa, ou se danifica como resultado de uma ação deteriorante. E, desta forma podemos 
analisar a remoção por diversos aspectos como: a nível atômico, quando há um deslocamento 
de planos cristalinos, e até mesmo como uma remoção de partículas frente a ação de outros 
materiais. [14] 
 
18 
Mecanismos de desgaste envolvem geralmente conceitos de fratura frágil, deformação 
plástica, fadiga, e falhas de coesão e adesão em estruturas. No caso de desgaste a uma grande 
complexidade associada com cada um dos mecanismos para conseguirmos definir por apenas 
um tipo de ensaio em que classe este se encontra, principalmente por estarmos lidando com 
mais de um corpo geralmente envolvido em líquidos (polpas), além de diferentes 
características superficiais dos materiais. [14] 
 
3.2.3.1 Desgaste Adesivo 
 
Antes que o desgaste adesivo seja definido, alguns conceitos gerais relativos à natureza do 
contato entre duas superfícies devem ser feitos. O primeiro aspecto que será considerado é a 
área de contato. Em muitas considerações de engenharia a área de contato é geralmente 
determinada por considerações da macro-geometria ou contorno dos corpos em contato. Isto é 
normalmente expresso através da projeção geométrica ou por modelos que levam em conta a 
deformação elástica ou plástica que os materiais exibem. 
O princípio básico da adesão entre duas superfícies que entram em contato baseia-se na 
aderência entre regiões localizadas (pontos específicos). 
Como as duas superfícies movem uma relativa à outra, pode acontecer desgaste em uma 
superfície ou ambas, com conseqüente arrancamento de material destas. [14] 
 
3.2.3.2 Desgaste Abrasivo 
 
O desgaste abrasivo em engenharia e em componentes de máquinas é causado pelas partículas 
abrasivas e é um dos principais problemas nas industrias que trabalham com este tipo de 
material. Entender os efeitos de todas as variáveis do sistema pela taxa de desgaste abrasivo 
se faz necessário para definir rotas para produção de máquinas e para a escolha de materiais 
para reduzir e/ou controlar o desgaste.[16] 
 
No desgaste abrasivo, sabemos que a quantidade de material removida depende da carga 
normal que pressiona as partículas contra a superfície e da distância que esta percorreram.[13] 
 
19 
Para o desgaste abrasivo, a perda acontece por arrancamento de material: entalhe, cortes, 
arranhões provocados por mecanismos descritos anteriormente. [14] 
 
A figura 3.5 ilustra duas situações próprias ao desgaste abrasivo. Na figura (a) existe uma 
situação na qual por ocorre desgaste devido a um contato entre duas superfícies com uma 
certa rugosidade, conhecida como desgaste abrasivo a dois corpos e, no caso (b) ocorre o 
efeito do desgaste abrasivo a partir de partículas entre duas superfícies, definido como 
desgaste a três corpos. Sendo que em ambos os casos a pressão exercida é um fator primordial 
no entendimento deste desgaste. [14] 
 
 
 
 
Figura 3.5 – Simulações de desgaste abrasivo. (a) Desgaste 
a dois corpos. (b) Desgaste a três corpos.[14] 
 
 
 
 
Foram propostos vários mecanismos para poder explicar como o material é removido de uma 
superfície durante o desgaste por abrasão. Estes mecanismos incluem fratura, fadiga, entre 
outros. Por causa da complexidade do desgaste por abrasão, nenhum mecanismo pode ser 
considerado completamente eficiente, na avaliação da perda de massa por este processo. 
Quando apenas um corpo abrasivo desliza sobre uma superfície, este pode provocar um dos 
seguintes processos: 
 
� Sulcamento na superfície; 
� Formação de cunha; 
� Cortes; 
 
( a ) 
( b ) 
� Microfadiga; 
� Microfratura. 
 
20 
O processo que produz sulcos desloca material de um entalhe para os lados. Isto acontece 
devido à aplicação de cargas e não resulta em qualquer perda real do material. O desgaste 
acontece próximo à superfície do material na forma de uma elevação de sucessivas 
deslocações. Se mais arranhões acontecem na superfície, então o trabalho adicional poderia 
resultar em perda por microfadiga. 
 
Entretanto, a forma mais severa de desgaste em um material é o corte. Durante o processo 
cortante, a ponta do abrasivo remove uma parte de material, como uma ferramenta. Isto 
resulta em material removido, mas pouca parte do material desloca se comparado ao tamanho 
do entalhe. Para uma partícula abrasiva ¨afiada¨, existe um ângulo crítico para o qual há uma 
transição entre os processos de ¨arar (sulcos)¨ e cortar. 
 
Estudo das propriedades dos materiais metálicos resistentes ao desgaste abrasivo 
 
Uma grande variedade de características dos materiais metálicos foi correlacionada com o 
desgaste abrasivo, determinando alguns destes efeitos. Estas propriedades incluem dureza, 
módulo elástico, tensão de escoamento, temperatura de fusão, estrutura cristalina, 
microestrutura e composição química. 
 
Para isto foi mostrado experimentalmente e teoricamente que a dureza de um material 
correlaciona-se com sua taxa de abrasão. Além disto, a resistência ao desgaste dos metais é 
proporcional à dureza da superfície desgastada. 
 
Atualmente, com o advento de novos materiais avançados, o uso de materiais compósitos 
resistentes ao desgaste está ficando mais comum. 
 
Formação de uma segunda fase 
 
Uma forma de modificar as propriedades de um material é a produção de uma segunda fase. 
Tratamentos térmicos que causam a formação de precipitados podem resultar em grandes 
aumentos de dureza e de tensão de escoamento. 
 
 
 
21 
Tamanho das partículas dos precipitados 
 
Quando as partículas incoerentes são um pouco maior que os grãos abrasivos que desgastam a 
superfície, estas são geralmente eficientes, diminuindo o desgaste total do material. Exames 
de superfícies desgastadas revelaram que os grãos abrasivos são presos sobre os grãos de 
carbonetos. Como a matriz é cortada e removida, a carga é transferida significativamente para 
as partículas duras. O desgaste de partículas incoerentes acontece através de dois processos 
mais lentos: abrasão das partículas duras e perda de partículas duras por desprendimento entre 
a matriz e partículas. 
 
Para os ferros fundidos brancos ligados, estudos com materiais resistentesao desgaste 
conseguem obter estruturas com até 30% de carbonetos (fração volumétrica), obtendo desta 
forma melhores resultados com desgaste abrasivo. 
 
A relação entre o tamanho das partículas e tamanho de grão abrasivo é importante. Grãos 
abrasivos maiores tendem a criar regiões de desgaste maiores. Quando partículas incoerentes 
são pequenas, em relação aos grãos abrasivos e regiões desgastadas, elas podem ser cortadas 
com a matriz e podem ter pouco efeito para a resistência à abrasão do material. 
 
Se os grãos abrasivos são muito pequenos, em relação às partículas duras, e os “espaços” 
entre partículas são grandes, então os grãos podem se alojar entre as partículas duras. 
 
As características das partículas que melhor atendem à redução do desgaste abrasivo 
favorecem as partículas mais duras, flexíveis e maciças. Um valor de dureza alta as tornam 
mais resistentes ao corte, além de as tornarem mais resistentes à fratura. Para partículas 
maciças, reduzem a propagação de trincas. 
 
 
 
 
 
 
22 
Efeito das partículas na estrutura dos materiais em relação a sua resistência ao desgaste 
abrasivo 
 
Fatores que afetam o desgaste abrasivo destes materiais incluem a orientação, tamanho, 
módulo de elasticidade, dureza relativa, e fragilidade da segunda fase. O modelo simplificado 
de Zum Gahr mostra os efeitos quando se variam estes parâmetros. A figura 3.6 demonstra 
estes efeitos. 
Figura 3.6 - Efeito das partículas na estrutura dos materiais em relação a sua resistência ao 
desgaste abrasivo. [33] 
 
Foi analisado que um reforço da estrutura com uma segunda fase que está paralela à superfície 
é removido mais facilmente que um que está perpendicular à superfície. Também, quando a 
segunda fase é pouco profunda, esta tem pequeno ou nenhum efeito benéfico. Como a maioria 
dos reforços adicionados têm um módulo de elasticidade alto, uma matriz com um baixo 
módulo tenderá a desgastar mais nas interfaces e conduzirá ao arrancamento pelo abrasivo. 
Em alguns metais, como o ferro fundido branco ligado, se a segunda fase é mais dura que a 
matriz, então a fase dura protegerá a matriz. 
 
Orientação Tamanho 
Módulo de 
Elasticidade Dureza Fragilidade 
23 
Geralmente, materiais frágeis tendem a rachar e lascar uma área maior que a seção 
atravessada pelo grão abrasivo que causa o desgaste, em virtude da sua pequena resistência a 
partículas de maior dureza. 
 
Morfologia das partículas abrasivas 
 
A morfologia das partículas em polpa interfere diretamente em uma maior ou menor 
capacidade destas de provocarem um desgaste na superfície dos materiais. E, neste caso, 
temos duas imagens mostrando as partículas de sílica e de minerais de ferro. Estas partículas 
são os materiais abrasivos que se encontram na planta industrial, que neste trabalho serão 
substituídas por partículas de diamante. 
 
As partículas que agem com alta angularidade provocam uma deformação localizada e/ou 
corte na superfície bem maior do que as partículas arredondadas. 
As partículas de sílica apresentam formas mais “angulosas”, e as de minério de ferro um 
pouco menos, devido a sua cristalografia apresentada após fratura. 
 
Um outro fator importante é o processo de beneficiamento ao qual estes materiais são 
submetidos, onde a passagem por diversos equipamentos (moinhos e britadores) provoca 
cortes nestas partículas e determinarão suas formas finais, podendo ser um fator essencial no 
entendimento do desgaste. [13] 
 
Um outro fator de grande influência é devido ao regime de fluxo. Onde o circuito imposto a 
esta polpa submete as partículas a caminhos diferenciados, e tais irão influenciar no impacto 
destas na superfície dos materiais que serão submetidos ao desgaste.[13] 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.7 – Partículas de abrasivas de minério de ferro e sílica. 
24 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3.2.3.3 Desgaste Erosivo 
 
O processo do desgaste por erosão ocorre quando as partículas chocam-se com uma 
superfície. Difere do desgaste abrasivo, pois as partículas são pressionadas de encontro à 
superfície e movem-se ao longo dela, enquanto são mantidos os esforços. Na erosão, 
geralmente um fluido causa o arraste das partículas. 
Desta forma, a partícula erosiva sofre, durante o desgaste, uma desaceleração de sua 
velocidade inicial de impacto e, esta vai reduzindo ao longo de todo o contato com a 
superfície, até se soltar. 
 
Na erosão, entender o desgaste depende do número e massa das partículas individuais que 
golpeiam a superfície e de sua velocidade de impacto, além de outras características. Como no 
caso da abrasão, os mecanismos do desgaste erosivo podem envolver a deformação plástica e 
fratura frágil. A erosão dos metais envolve geralmente o fluxo plástico, visto que alguns 
materiais mais frágeis podem desgastar predominantemente pelo fluxo ou pela fratura 
dependendo das condições de impacto. [13] 
 
A figura 3.9 ilustra uma situação em que partículas são levadas, por um meio qualquer, de 
encontro a uma superfície, caracterizando assim o desgaste erosivo. [14] 
 
 
 
Figura 3.8 – Morfologia das partículas de sílica. (a) partículas após o desgaste 
 . (b) partículas na forma natural. [14] 
25 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
O desgaste erosivo ocorre quando partículas sólidas são capazes de provocar a perda de 
material segundo a descrição da figura 3.9. Em alguns casos a erosão de é um fenômeno 
desejado como no caso dos jatos de areia a altas velocidades e/ou jato de água como elemento 
abrasivo cortante. 
Mas é um problema sério em muitos sistemas de engenharia, inclusive em turbinas de jatos, 
oleodutos e bombas que transportam partículas polpas (líquidos mais partículas), e em alguns 
sistemas de combustão. [ 35 ] 
 
Várias soluções foram desenvolvidas modificando o “design” das peças, tentando diminuir o 
ângulo de impacto das partículas e desta forma diminuindo os efeitos agressivos das 
partículas. 
A erosão pelas partículas sólidas será esperada sempre que partículas duras são inseridas em 
um gás ou em um meio líquido a velocidade significante. 
 
Erosão por partículas sólidas acarreta a perda de componentes. O aparecimento de uma 
superfície que parece ser de escavação que segue o fluxo do gás/líquido, ou uma superfície 
rugosa, e o não aparecimento dos entalhes na superfície (como é característico em desgaste 
por abrasão) são aspectos típicos das superfícies desgastadas por erosão. Podem ainda, 
apresentar-se como ondulações na superfície dos metais. 
 
Durante este processo de desgaste as partículas podem ser aceleradas ou desaceleradas, e suas 
direções podem ser mudadas pelo tipo de fluxo. Isto é mais significante em meios líquidos, 
como por exemplo, em polpas de minérios. 
 
Erosão 
Figura 3.9 – Simulação de desgaste erosivo. [14] 
 
26 
A distinção entre erosão e abrasão deveria ser clarificada, porque a termo erosão foi 
freqüentemente usado em situações que poderiam ser classificadas como abrasão. Erosão 
provocada por partículas sólidas refere-se a uma série de partículas golpeando e ressaltando 
na superfície, enquanto abrasão é o resultado do deslizamento de partículas abrasivas ao longo 
de uma por uma superfície sob ação de uma força aplicada. A distinção fica mais clara se 
levarmos em conta que, em erosão, a força associada as partículas relaciona-se à diminuição 
da velocidade delas; quando do impacto, enquanto que a abrasão a força aplicada é 
externamente e é aproximadamente constante durante o processo. 
 
Distinguir desgaste erosivo e abrasivo em alguns casos é bem difícil, principalmente em 
situações onde se tem partículas muito densas em líquidos. Nas quais uma quantidade de 
partículas pode desenvolver um regime de fluxono qual o seu deslizamento pela superfície 
pode classificá-la em desgaste abrasivo. 
Efeito da morfologia das partículas 
 
Vários trabalhos sobre erosões provocadas por partículas tomam como base uma partícula ou 
partículas esféricas. Em parte como um caso idealizado que, é mais fácil analisar do que em 
partículas angulares durante a erosão. 
 
Modelos matemáticos conseguem prever velocidades de rebote( retorno) e dimensões de 
cratera formadas por impactos únicos. A Erosão através de partículas esféricas geralmente 
desenvolve colinas e vales na superfície. Isto é muito diferente da topografia da superfície 
produzida por partículas angulares. 
 
Como poderia ser esperado, partículas angulares são responsáveis por uma taxa de desgaste 
mais alta que partículas esféricas. Por outro lado, associado a este tipo de características, o 
ângulo de impacto das partículas apresenta-se como um fator primordial no avanço do 
desgaste. 
 
 
 
 
27 
Métodos de quantificar angularidade por meio de análises de imagem, e seu efeito foi 
discutido por Bahadur e Braduddin que acharam resultados bem interessantes, podendo desta 
forma classificar os materiais. A figura 3.10 mostra como a forma da partícula pode causar 
um dano mais acentuado na superfície do material e até mesmo, iniciar um processo de 
desgaste. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.10 – Influência da forma da partícula no processo de desgaste [ 38 ] 
 
Fragmentos embutidos na erosão 
 
A influência de fragmentos das partículas erosivas inseridas na superfície da amostra é, em 
alguns casos consideráveis no avanço do desgaste. Edington e Wright mostraram evidências 
de que fragmentos de partículas de Stellite 6B formam uma capa contínua na superfície. [35] 
 
Observações semelhantes foram feitas por Ruff et al. para Al2O3 erodindo uma superfície de 
cobre e, por Kosel et al. para Al2O3 erodindo o níquel. Os trabalhos de Edington e Wright de 
Kosel et al. mostram aquela erosão normal produzindo uma camada na superfície. Esta se 
apresenta contínua e consiste em fragmentos das partículas misturadas com o metal 
desgastado. Esta “polpa” é parecida com a polpa obtida em amostras submetidas a polimento 
( sem limpeza). [35] 
 
 
28 
Ambos modelos qualitativos descritos para remoção de material no qual as partículas 
incidentes encontram diretamente a superfície do metal, resultam em acúmulo destas 
partículas e somam-se aos outros mecanismos de remoção(desgaste), após o impacto das 
primeiras partículas.[35] 
 
A figura 3.11 mostra algumas partículas aderidas a microestrutura em uma superfície de um 
ferro fundido com alto teor em cromo( diversos carbonetos de cromo). Nesta é evidente a 
preferência das partículas em se situarem em locais menos resistentes(matriz) e, em alguns 
casos elas podem parar exatamente nos carbonetos formados na estrutura. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.11 – Efeito dos carbonetos na estrutura do material. [ 39 ] 
 
Tamanho das partículas 
 
O tamanho das partículas, tem pouco ou nenhum efeito na taxa de erosão de materiais dúcteis, 
desde que o tamanho das partículas esteja acima de 100 Mm. Porém, a taxa de erosão diminui, 
rapidamente, com o tamanho de partícula abaixo de 100 Mm. [35] 
 
Este fato, conhecido como o efeito de tamanho, também é encontrado em desgaste abrasivo. 
Misra e Finnie [35] discutiram várias teorias que foram sugeridas para explicar este efeito e 
concluíram que, provavelmente, isto se deve a um aumento na tensão de fluxo com o 
tamanho. Evidências para isto foram apresentadas por Gane e Cox que executaram testes de 
microdureza, com diversos parâmetros pré-definidos. [35] 
 
29 
Dureza das partículas 
 
A dureza relativa das partículas que provocam erosão na superfície do material é um fator 
importante, freqüentemente negligenciado. Como no caso do desgaste abrasivo, foi 
encontrado por Wellinger e Uetz que a taxa de erosão diminui drasticamente quando a dureza 
da partícula diminui. Isto e outras semelhanças entre o desgaste erosivo e abrasivo foram 
discutidas por Misra e Finnie [35]. Como notou Finnie, é bastante provável que o tratamento 
térmico de aços parece não ter quase nenhum efeito na resistência a erosão deles. [35] 
 
Um dos fatores mais importantes no estudo do desgaste é sem dúvida a dureza dos elementos 
provocadores de desgaste, que na indústria mínero-metalúrgica neste caso é devido 
principalmente à sílica e aos minerais de ferro. 
 
Um critério para se analisar estes materiais (sílica e minerais de ferro) do ponto de vista de 
como eles se encontram na polpa, é através da dureza apresentada pelos mesmos, onde 
percebemos através da tabela 3.2 uma considerável diferença em suas faixas. [13] 
 
 
 
Materiais abrasivos Dureza ( HV ) 
Diamante 6000 – 10000 
Carbeto de Boro ( B4C ) 2700 – 3700 
Carbeto de Silício ( SiC ) 2100 – 2600 
Alumina ( Corindon ) 1800 – 2000 
Quartzo ( SiO2 ) 750 – 1200 
Magnetita ( Fe2O3 ) 370 – 600 
Hematita ( Fe3O4 ) 739 – 822 
Fluorita ( CaF2 ) 180 – 190 
 
 
 
 
 
 
Tabela 3.2 – Dureza dos materiais abrasivos. [13,20] 
 
30 
3.2.3.4 Desgaste por Fadiga de Superfície 
 
Uma descrição genérica para desgaste por levar em conta a existência de uma rachadura que 
cresce e eventualmente une-se a outras até formar uma partícula que se solta. 
O conceito básico de desgaste por fadiga é através do “desprendimento” e movimentação, 
repetidas vezes, de partículas do material na região da superfície, submetida à tensão 
cíclica.[14] 
 
3.2.3.5 Desgaste por Oxidação 
 
Este tipo de desgaste difere dos anteriores, pois não resultam diretamente em perda ou 
deslocamento de material, e sim por remoção de óxidos formados na superfície. Por causa 
disto poderia ser discutido fora do contexto dos outros. Porém, é freqüentemente encontrado e 
atribuído ao processo de desgaste em muitas situações e conseqüentemente incluído como 
uma categoria fundamental. 
 
Basicamente ocorre aquele desgaste que acontece pela remoção de uma camada de óxido, 
como resultado de contato com outros elementos. Durante o contato de duas superfícies 
oxidadas, ocorre nestas regiões um aumento no desgaste, devido a irregularidade da superfície 
e, devido as reações, provocam remoções cada vez maiores de material. [14] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
31 
4. Procedimento Experimental 
 
4.1 Identificação das ligas 
 
Neste trabalho foram utilizadas cinco amostras de ferro fundido branco, alto cromo, que 
foram fornecidas por diferentes fabricantes de peças empregadas na indústria mínero-
metalúrgica. As amostras foram fabricadas nos mesmos moldes que são produzidos os 
componentes de bombas de polpas. 
A tabela 4.1 apresenta a classificação segundo a norma ASTM: 
 
Liga A Liga ASTM A 532 classe II tipo E 
Liga B Liga ASTM A 532 classe III tipo A 
Liga C Liga ASTM A 532 classe II tipo D 
Liga D Liga ASTM A 532 classe I tipo D 
Liga E Liga ASTM A 532 calasse II tipo B 
 
Tabela 4.1 – Amostras utilizadas nos ensaios. 
 
O estudo de avaliação do desgaste em ferro fundido branco alto cromo foi realizado em uma 
máquina projetada para desenvolver ensaios de desgaste abrasivo. Foram utilizadas duas 
amostras de cada liga para a realização dos ensaios, num total de dez amostras, para estudos 
metalográficos, de dureza e resistência ao desgaste. A figura 4.1 mostra exemplos destas 
amostras antes de serem realizados os ensaios de abrasão. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 4.1 – Amostras de ferro fundido branco alto cromo antes dos ensaios de abrasão. 
Liga A Liga E Liga D 10 mm 
32 
4.2 Composição química 
 
Todas as amostras submetidas ao ensaio foram fornecidas pelas empresasfabricantes de peças 
e, com elas foram apresentadas suas composições químicas. A composição química fornecida 
para cada liga é mostrada na tabela 4.2. 
 
Elemento Liga A Liga B Liga C Liga D Liga E 
químico (%) (%) (%) (%) (%) 
Carbono 2,60-2,80 3,72 2,74 2,9 – 3,1 2,6 – 2,8 
Manganês 0,50-0,80 1,29 0,668 0,6 – 0,9 0,6 – 0,8 
Silício 0,50-0,80 0,65 0,458 0,6 – 0,8 0,6 – 0,8 
Cromo 26,0-28,0 23,90 27,06 20,5 – 22,5 26 – 28 
Molibdênio ----- 0,60 0,411 1,8 – 2,2 0,6 – 1,0 
Fósforo 0,10 0,04 0,0191 0,10 0,10 
Enxofre 0,06 0,02 0,0231 0,06 0,05 
Ni + Cu 1,50 0,59 0,193 1,50 1,50 
Tabela 4.2 – Composição química das ligas (percentagem em peso). 
4.3 Tratamento térmico 
 
As ligas foram submetidas ao tratamento térmico de têmpera em óleo, com o objetivo de se 
obter uma estrutura martensítica. Foi utilizado um forno mufla da marca Heraeus com 
controlador de temperatura com termopar de Pt-PtRh (13% Rh) e o resfriamento em óleo para 
têmpera TEMP-150 da Tutela. Este tipo de tratamento realizado objetivou aumentar a 
resistência superficial das amostras, visando aumentar a resistência à abrasão nos ensaios. Foi 
definido um tempo de forno no qual pudéssemos garantir uma boa homogeneidade de 
temperatura em toda a amostra (encharque) e o resfriamento em óleo devido às propriedades 
que este tipo de meio de resfriamento iria proporcionar na estrutura das amostras. O processo 
de obtenção se realizou nas seguintes etapas: 
- Aquecimento do forno mufla até a temperatura de 1000ºC; 
- Inserção das amostras no forno e manutenção por uma hora (tempo de encharque); 
- Retirada das amostras e resfriamento em óleo (temperatura do óleo em torno de 90ºC); 
- Retirada do banho de óleo e resfriamento ao ar até temperatura ambiente. 
33 
4.4 Ensaio de Dureza 
 
A dureza é uma medida da resistência de um material à deformação quando uma força externa 
ou carga é aplicada a este material. 
 
Diversos ensaios de dureza foram feitos nas amostras antes e depois do tratamento térmico, 
com objetivo de evidenciar as alterações na dureza das amostras. Para o ensaio utilizou-se 
uma máquina Rockwell C Wolpert – Sussen tipo HT – 1A, com penetrador de diamante em 
forma de cone e com uma força aplicada de 150 kgf. 
 
Para cada amostra foram realizados três ensaios em regiões distintas e a partir deles se ob 
obter um valor médio da dureza. 
 
A Dureza Rockwell (DIN 50103) é um dos métodos mais difundidos de medida da dureza. 
O método Rockwell consiste da avaliação da profundidade de penetração de um cone de 
diamante com ângulo de 120º (para peças temperadas). O ensaio tem três etapas importantes: 
a penetração com uma pré-carga de 10kgf (ponto de penetração considerado como "posição 
0"), o momento da penetração com uma carga adicional escolhida entre 60, 100 ou 150kgf e o 
retorno com a retirada da carga adicional, ficando outra vez sob o efeito da pré-carga, neste 
momento lê-se a dureza. Os resultados são expressos em HRC . 
 
4.5 Análise Metalográfica (Microscopia Ótica e Microscopia Eletrônica de Varredura) 
Estudo por Microscopia Óptica 
 
Antes das amostras serem submetidas ao tratamento térmico de têmpera, elas foram 
analisadas por microscopia óptica. A etapa de preparação das amostras consistiu de: 
 
- Embutimento; 
 
- Desbaste / Lixamento / Polimento; 
 
- Ataque Químico; 
34 
 
Através de estudos, utilizando um microscópio ótico quantitativo modelo Leica e o programa 
Leica Qwin de processamento de imagens, foi possível uma caracterização da morfologia dos 
carbonetos presentes na amostra, estes foram realizados com aumentos de 100, 200, 500 e 
1000X. 
Este programa possibilita o estudo da morfologia das fases presentes. É possível pela 
determinação de um fator denominado “roundness”, avaliar o grau de arredondamento das 
partículas. 
 
O índice 1 (um), para uma medida de “roundness”, esta relacionada a uma partícula redonda. 
Informações relativas à quantidade de carbonetos presentes nas amostras também podem ser 
obtidas por intermédio do programa. Durante a análise por microscopia óptica também foram 
levantados dados referentes às fases presentes nestas amostras, e com isso, foi possível 
caracterizar todas as amostras quanto aos percentuais de carbonetos. (% de ocupação 
superficial). 
 
 
Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) 
 
A microscopia eletrônica de varredura convencional pode incluir outros métodos analíticos de 
examinação, como emissão de raios-X, retro-espalhamento, difração ou catodoluminescência. 
A microscopia eletrônica de varredura necessita de ambiente de alto vácuo e baseia-se 
principalmente na varredura de elétrons secundários que são estimulados por feixes primários 
de elétrons. 
 
Os elétrons primários incidentes sofrem espalhamento no sólido perdendo energia pela 
emissão estimulada de elétrons secundários. A distribuição de energia de elétrons secundários 
é geralmente menor que 50 eV para metais. Imagens de elétrons secundários são geradas pela 
sincronização da saída óptica do sistema detector com o rastreador de elétrons através da 
amostra. A micrografia eletrônica secundária pode ser usada para examinar a topografia de 
uma amostra ou investigar a estrutura interna de um recobrimento usando seções de corte 
transversais. 
 
 
35 
Estudos realizados com o Microscópio Eletrônico de Varredura 
 
 Utilizando os recursos do microscópio, diversas análises foram feitas e, serão listadas 
a seguir. 
 
1. Análise das cinco amostras submetidas a um ensaio de abrasão durante uma hora e sem 
limpeza criteriosa visando à detecção de partículas abrasivas aderidas na superfície 
desgastada: 
 
- Liga A 
- Liga B 
- Liga C 
- Liga D 
- Liga E 
 
2. Análise das cinco amostras – corte transversal: 
 
- Análise da amostra (geral) 
- Análise na calota - transversalmente 
 
3. Análise de três lâminas contendo o abrasivo utilizado e o sub-produto resultante do ensaio 
de abrasão: 
 
- Partículas de 3 Mm 
- Partículas de 1 Mm 
- Partículas (micro-cavacos) da amostra ensaiada e partículas do abrasivo formando uma 
lama. 
 
 
 
 
 
36 
4.6 Ensaio de desgaste abrasivo 
 
Preparação das amostras 
 
As amostras fornecidas foram cortadas utilizando um equipamento de eletro-erosão para que 
não fosse alterada a estrutura superficial devido a variações térmicas, podendo desta forma 
alterar suas propriedades. Estes cortes foram necessários para que se pudessem adaptar as 
amostras à máquina de abrasão. Após o corte foram identificadas e a partir daí estavam 
prontas para o ensaio. 
 
 
Avaliação do desgaste abrasivo por meio do ensaio de abrasão com bola (“ball abrasion test”) 
 
 
Segundo Boving et alii para que se possa desenvolver e produzir materiais duros, resistentes 
ao desgaste é necessário que se tenha acesso a métodos eficientes de caracterização. Desta 
forma para que se possa determinar a resistência ao desgaste de um determinado material, 
devemos utilizar técnicas que, permitam uma boa reprodutibilidade, entre outras 
características. 
 
O teste de abrasão com bola é um método que permite impressionar na superfície de uma 
amostra uma calota esférica (conforme figura 4.2), que será tanto maior quanto for à dureza 
das partículas que serão introduzidas na região entre a esfera (bola) e a superfície em teste. 
Neste método para que se possa conhecer a massa perdida pela amostra, é necessário conhecer 
o volume retirado e a densidade do material em ensaio. 
 
 E ensaios em materiais duros justificam-se diante da necessidade de se conhecer a velocidade 
de desgaste dos materiais e as conseqüências sobre a vida útil dos equipamentos. Este método 
também é muito utilizado para se estudar superfícies recobertas pelas diversas técnicas de 
recobrimento conhecidas:

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