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

Texto

(1)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.

(2) 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.

(3) 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.

(4) 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..

(5) 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 PósGraduação 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..

(6) 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.

(7) 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 ...................... 91.

(8) LISTA 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 abrasivoerosivo; 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.

(9) Figura 11 - (a)- Exposição esquemática do sistema HVOF – Fonte: Panastron 21 Figura 11 - (b)- Tocha de HVOF para aplicação por aspersão. APL, 2.010..... Figura 12 -. Representação esquemática - superfície aspergida por HVOF (Adaptado de: Turunen et al., 2005) ....................................................... Figura 13 -. 21. 22. 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.

(10) 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...................................... 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,. 39.

(11) cinza claro. Em (c) e (d) observa-se o mesmo rotor nas vista frontal e lateral respectivamente, após 1.000 horas de ensaio............................ Figura 24 -. 40. 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................ Figura 25 -. 43. 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. 45. visual.................................................... Figura 27 - Vista parcial do rotor, enfatizando-se o canal número 3, adotado como terceira referência para análise. 46. visual...................................................... Figura 28 - Vista parcial do rotor, enfatizando-se o canal número 4, adotado como quarta referência para análise. 47. visual........................................................ Figura 29 - Vista parcial do rotor, enfatizando-se o canal número 5, adotado como quinta referência para análise. 48. visual........................................................ 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. 51. (continua)....................................................... Figura 32 -. (a) Vista interna parcial da Carcaça da bomba após 1.000 horas de bombeamento do vinhoto (continua)................................................. Figura 32 -. 52. (b) (continuação) - Vista interna parcial da Carcaça da bomba após 1.000 horas de bombeamento do. 53. vinhoto................................................ 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.

(12) 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 –. 55. RN..................................................................................... Figura 33 -. (b) – Imagem obtida por Micrografia Eletrônica de Varredura (MEVelétrons 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 Ä¨ 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................ Figura 33. 56. (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......... Figura 33 -. (e) – Imagem de espectrograma obtido por EDS evidenciando-se os. 58.

(13) 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-. 59. ER- Natal/RN....................................................................................... 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. ................................................................. Figura 34 -. 60. 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........................................ Figura 35 -. 61. 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 Ä¨ e ¨B¨. - Ataque Nital 5%.- MEV CTgás-ERNatal/RN ............................................................................................................... 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. 62.

(14) 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 Ë¨, 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 Ë¨ 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-. 65. Natal/RN....... Figura 39 -. Imagem de Espectrograma do revestimento obtido através de EDS evidenciando os elementos constitutivos da microzona Ë¨ 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-ERNatal/RN................................................................................................. 66.

(15) 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-. 67. Natal/RN................................................................................. 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 Ä¨ (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-ReNatal/RN........................................ Figura 42 -. 68. 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-. 69. Natal/RN......... Figura 43 -. A imagem obtida por SBSE (SBSE- backscattering electrons) mostra na microzona Ä¨ 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-ReNatal/RN................................ 70.

(16) Figura 44 -. A imagem obtida por SBSE (SBSE- backscattering electrons) mostra na microzona Ä¨ 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-. 72. Natal/RN.................................. 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-ReNatal/RN.................................................................................. Figura 47 -. 73. 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-ReNatal/RN..................... Figura 48 -. A imagem obtida pelo sistema SE – Secondary Electrons mostra topografia da microestrutura característica do metal duro. Observa-se. 74.

(17) 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-ReNatal/RN................................................................ Figura 49. 75. 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-ReNatal/RN......................................................................... Figura 50 -. 76. Desgaste por cavitação-erosão-corrosão nas pás de entrada de um rotor de uma bomba de cerca de 250±50 HP (Foto do. 78. autor).................. 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)........................................................................................................ Figura 52 -. 79. (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.

(18) 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. 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 6.

(19) Tabela 11. Dados operacionais da bomba ..................................................... .. SÍMBOLOS. mgL-1. Unidade em miligrama por litro. N. Nitrogênio. 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. 40.

(20) 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.

(21) 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.

(22) 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 sugarcane 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.

(23) 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.

(24) 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.

(25)

(26) 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,.

(27) 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 DQO mgL-1 DBO mgL-1 CE DSm-1 SDT mgL-1 pH Nitrogênio (N) mgL-1 Fósforo(P) mgL-1 Potássio (K) mgL-1 Sódio (Na) mgL-1 Cálcio (Ca) mgL-1 Magnésio (Mg) mgL-1 Zinco (zn) mgL-1 Cobre (Cu) mgL-1 Ferro (Fe) mgL-1 Manganês (Mn) mgL-. Amostra In natura* Tratada** 44.000 130 13.01 0.54 14,12 13,75 7.940 7.690 4,5 8,7 650 100 70 50 3700 1000 40 50 780 160 700 340 6,7 1,1 5,2 1,6 22 10 12 6,0. 1. *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).

(28) 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, depositouse 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..

(29) 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..

(30) CAPÍTULO 2 REVISÃO BIBLIOGRAFICA.

(31) 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.

(32) 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).

(33) 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.

(34) 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 iniciais de 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.

(35) 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..

(36) 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:.

(37) 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).

(38) 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 Classe 20 Classe 25 Classe 30 Classe 35 Classe 40 Classe 50 Classe 60. Resistência Mecânica -Tração 14,0 kgf/mm² (140MPa) 17,5 kgf/mm² (175MPa) 21,0 kgf/mm² (210MPa) 24,5 kgf/mm² (245MPa) 28,9 kgf/mm² (279MPa) 35,0 kgf/mm² (340MPa) 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 25. 3,10 –3,80. 2,20 – 2,60. 0,50 – 0,80. 0,20 – 0,80. 0,08 – 0,13. 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.

(39) 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. ASTM A48 CL 50. ASTM A48 CL 60. 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. Aplicações idênticas às da classe 40. 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.

(40) 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.

(41) 17. 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.

(42) 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).

(43) 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.

(44) 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.

(45) 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.

(46) 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).

(47) 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.. Porosidade na interface.. 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:.

(48) 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..

(49) 25. Figura 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.

(50) 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..

(51) 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)..

(52) 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)..

(53) 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, associaramse 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..

(54) CAPÍTULO 3 MATERIAIS E MÉTODOS.