Evaluation of the material removal mechanism of silicon carbide during diamond wire sawing

Abstract

O carbeto de silício (SiC) é um material estratégico para aplicações avançadas de engenharia devido à sua combinação excepcional de propriedades mecânicas, térmicas e eletrônicas, incluindo elevada dureza, alto módulo de elasticidade e excelente estabilidade térmica. Essas características tornam o SiC altamente adequado para aplicações em eletrônica de potência, componentes aeroespaciais e ambientes de alta temperatura. No entanto, sua elevada dureza e natureza intrinsecamente frágil impõem desafios significativos à usinagem, especialmente na obtenção de alta qualidade superficial com mínimo dano subsuperficial. Nesse contexto, a compreensão dos mecanismos de remoção de material durante o corte por fio diamantado (DWS) é essencial para a otimização do processo. Este estudo investiga os mecanismos de remoção de material do SiC durante o DWS, com ênfase na transição dúctil-frágil e sua influência na morfologia, topografia e integridade superficial. Foi adotada uma abordagem experimental integrada, combinando ensaios de nanoindentação e nanorriscamento com experimentos de usinagem baseados em um Delineamento Composto Central (CCD). Essa metodologia possibilitou a correlação entre o comportamento mecânico em microescala e as respostas de usinagem em macroescala. A caracterização da superfície foi realizada por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e interferometria óptica. A caracterização mecânica revelou uma dureza média de H = 26,13 GPa e um módulo de elasticidade reduzido de Er ? 275,39 GPa, indicando elevada resistência à deformação plástica e forte tendência à fratura frágil. Os resultados de nanoindentação também evidenciaram um comportamento dependente da carga aplicada, sugerindo a ativação de mecanismos adicionais de deformação e dano em cargas mais elevadas. De forma complementar, os ensaios de nanorriscamento demonstraram uma transição clara no comportamento do material, com a força tangencial aumentando de aproximadamente 1,10 mN (25 mN) para 11,93 mN (100 mN), acompanhada por maior profundidade de penetração e início de mecanismos de remoção assistidos por fratura. Em cargas mais baixas, o material apresentou sulcos suaves e contínuos, enquanto em cargas mais elevadas foram observadas trincas e regiões fragmentadas. Os experimentos de usinagem mostraram que a morfologia superficial é fortemente influenciada pelos parâmetros de corte. Maiores taxas de avanço aumentaram a penetração dos abrasivos, promovendo nucleação de trincas e resultando em superfícies fragmentadas. Por outro lado, maiores velocidades de corte favoreceram superfícies mais homogêneas devido à redução da espessura de cavaco não deformado. A análise de rugosidade superficial confirmou esse comportamento, com valores variando entre Sa = 0,328?0,621 µm e Sq = 0,431?0,775 µm, sendo os menores valores associados a condições dominadas por deformação dúctil. Os resultados demonstram que a razão vf/vc governa o mecanismo de remoção de material, ao controlar a espessura de cavaco não deformado e o estado de tensões na interface de corte. Razões menores favorecem a remoção em regime dúctil e melhor qualidade superficial, enquanto razões maiores promovem fratura frágil e aumento do dano superficial.

Abstract: Silicon carbide (SiC) is a strategic material for advanced engineering applications due to its exceptional combination of mechanical, thermal, and electronic properties, including high hardness, elevated elastic modulus, and excellent thermal stability. These characteristics make SiC highly suitable for applications in power electronics, aerospace components, and high-temperature environments. However, its high hardness and intrinsic brittleness impose significant challenges during machining, particularly in achieving high surface quality with minimal subsurface damage. In this context, understanding the governing material removal mechanisms during diamond wire sawing (DWS) is essential for process optimization. This study investigates the material removal mechanisms of SiC during DWS and their influence on surface quality. An integrated experimental approach was adopted, combining nanoindentation and nanoscratching tests with machining experiments based on a Central Composite Design (CCD). This methodology enabled the correlation between microscale mechanical behavior and macroscale machining responses. Surface characterization was performed using scanning electron microscopy (SEM) and optical interferometry. The mechanical characterization revealed an average hardness of H = 26.13 GPa and a reduced elastic modulus of Er ? 275.39 GPa, values typically associated with high resistance to plastic deformation and brittle fracture behavior in ceramic materials. The nanoindentation results also showed a load-dependent response, suggesting the activation of additional deformation and damage mechanisms at higher loads. Complementarily, nanoscratching tests demonstrated a clear transition in material behavior, with tangential force increasing from approximately 1.10 mN (25 mN) to 11.93 mN (100 mN), accompanied by deeper penetration and the onset of fracture-assisted removal mechanisms. At lower loads, the material exhibited smooth grooves, whereas higher loads resulted in crack formation and fragmented features. The machining experiments showed that surface morphology is influenced by cutting parameters. Higher feed rates increased abrasive penetration, promoting crack nucleation and resulting in fragmented surfaces. In contrast, higher wire cutting speeds favored smoother surfaces due to the reduction of the undeformed chip thickness. Surface roughness analysis confirmed this behavior, with values ranging from Sa = 0.328?0.621 µm and Sq = 0.431?0.775 µm, where lower values were associated with ductile-dominated conditions. The results demonstrate that the vf/vc ratio governs the material removal mechanism, controlling the undeformed chip thickness and the stress state at the cutting interface. Lower ratios promote ductile-mode removal and improved surface quality, whereas higher ratios lead to brittle fracture and increased surface damage.