Processamento e caracterização de vitrocerâmica do sistema Li2O-ZrO2-SiO2 (LZS) aplicada em ferramenta de corte

Abstract

Esta tese de doutorado está relacionada ao estudo de material vitrocerâmico do sistema LZS e ao projeto e à obtenção de uma ferramenta de usinagem com geometria definida. Essa ferramenta foi caracterizada do ponto de vista de suas propriedades típicas, visando a uma aplicação específica que inclui a definição de parâmetros de usinagem e tipos de materiais para usinagem. Uma composição vitrocerâmica de formulação 9,56Li2O.22,36.ZrO2.68,08SiO2 (% em massa) foi preparada e obtida, sob a forma de uma frita, a qual foi caracterizada química e fisicamente e, posteriormente foi moída, compactada uniaxialmente (100 MPa) e tratada termicamente (sinterização/cristalização) nas temperaturas de 800, 850, 900 e 950ºC durante diferentes intervalos de tempo (15, 30, 60 e 120 min). As principais fases cristalinas, identificadas por difração de raios X, após os tratamentos térmicos, foram o silicato de zircônio e o dissilicato de lítio. Os vitrocerâmicos obtidos foram caracterizados do ponto de vista físico-mecânico e térmico. As melhores propriedades, tipicamente requeridas para uma ferramenta de corte, foram alcançadas para amostras tratadas a 900°C por 120 min. As amostras preparadas, na condição otimizada, apresentaram densidade relativa de 96,0±1,6% com resistência mecânica à flexão, ?f=191±12 MPa, dureza, HV300g=8,14±0,53 GPa , módulo de elasticidade, E=115,7±1,1 GPa e tenacidade à fratura, KIc=3,6±0,2 MPa.m-1/2. O coeficiente de expansão térmica linear foi ?=12,5±0,1x10-6 °C-1 e a condutividade térmica, k=4,89±0,03 Wm-1K-1. As ferramentas de corte produzidas foram submetidas a testes de usinagem de torneamento de longa duração em aço AISI/ABNT 1019, ferro fundido cinzento FC200 e bronze TM23, utilizando velocidade de corte entre 100 e 200 m/min, profundidade de corte de 1 mm e avanço de 0,2 mm/rot sem uso de fluido de corte. Os testes de usinagem indicaram que a ferramenta produzida é adequada para a usinagem de bronze com velocidades de corte de até 150 m/min. O mecanismo de desgaste da ferramenta, predominante na usinagem dos materiais considerados neste estudo, foi o desgaste por abrasão.

This doctoral thesis is related to the study of a glass-ceramic material belonging to the LZS system and to the design and production of a cutting tool with defined geometry which was characterized under the point of view of its typical properties aiming a specific application including the definition of machining parameters and selection of materials to be machined. A 9.56Li2O.22.36.ZrO2.68.08SiO2 (wt.%) glass-ceramic composition was prepared and obtained as a glass frit which was chemically and physically characterized and then milled, uniaxially compacted (100 MPa) and heat-treated (sintering/crystallization) at 800, 850, 900 e 950ºC during different time intervals (15, 30, 60 and 120 min). The main crystalline phases, identified by X-ray diffraction, after heat-treatments, were zirconium silicate and lithium dissilicate. The obtained glass-ceramics were characterized under the view point of its physical-mechanical and thermal properties. The best typically required properties for a cutting tool were achieved for samples heat-treated at 900ºC for 120 min. The samples prepared in the optimized condition showed relative density of 96.0±1.6% with bending strength, sf=191±12 MPa, hardness, HV300g=8.14±0.53 GPa, Young's modulus, E =115.7±1.1 GPa and fracture toughness, KIc=3.6±0.2 MPa.m-1/2. The coefficient of thermal expansion was a=12.5±0.1x10-6 °C-1 and the thermal conductivity, k=4.89±0.03 Wm-1K-1. The cutting tools produced were subjected to long time machining tests using an AISI/ABNT 1019 steel, a FC200 gray cast iron and a TM23 bronze by applying cutting speeds between 100 and 200 m/min, depth of cut of 1mm and advance of 0.2 mm/rotation without the use of cutting fluid. The tests indicated that the machining cutting tool produced is suitable for the machining of bronze with cutting speeds of up to 150 m/min. The predominant cutting tool wear mechanism for the machining of the materials considered in this study was the abrasion wear.