Desenvolvimento e caracterização de compósitos cerâmicos Al2O3-ZrO2 com reforço de TiN para aplicação em ferramentas de corte

dc.contributor.advisor-co1Ventura, Carlos Eiji Hirata
dc.contributor.advisor-co1Latteshttp://lattes.cnpq.br/1689198421096127
dc.contributor.advisor1Chinelatto, Adriana Scoton Antonio
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/9180718046391058
dc.contributor.authorCosta, Adriana e Silva da
dc.contributor.referee1Pallone, Elíria Maria de Jesus Agnolon
dc.contributor.referee1Latteshttp://lattes.cnpq.br/9985104818555037
dc.contributor.referee2Salem, Raphael Euclides Prestes
dc.contributor.referee2Latteshttp://lattes.cnpq.br/0721570145423409
dc.contributor.referee3Kubaski, Evaldo Toniolo
dc.contributor.referee3Latteshttp://lattes.cnpq.br/6173587951855813
dc.contributor.referee4Serbena, Francisco Carlos
dc.contributor.referee4Latteshttp://lattes.cnpq.br/8025821168501551
dc.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/0151514037653083
dc.date.accessioned2026-01-25T12:41:21Z
dc.date.accessioned2026-06-29T14:09:13Z
dc.date.issued2025-11-26
dc.description.abstractHigh-performance ceramic composites have attracted increasing attention due to their enhanced mechanical properties and wide range of technological applications. In this study, alumina (Al2O3)–zirconia (ZrO2)–based composites reinforced with different volume fractions (1%, 3%, and 5%) of titanium nitride (TiN) were developed for potential use in cutting tools for dry machining processes. The elimination of cutting fluids in such operations promotes more sustainable industrial practices. The selection of materials was based on the high hardness and chemical stability of Al2O3, the toughening effect of ZrO2, and the mechanical reinforcement and wear resistance provided by TiN. The composites were fabricated by conventional sintering at 1500°C and 1600°C and characterized using X-ray diffraction (XRD), field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), and mechanical testing. Key properties such as Vickers hardness, flexural strength, elastic modulus, fracture toughness, coefficient of friction, and specific wear rate were evaluated. The composition with 5 vol% TiN (AZ5T) exhibited the best overall performance, with high densification, hardness of up to 19.01 GPa, and improved fracture and wear resistance. In the final stage, prototype cutting tools manufactured with the developed composites were tested in the dry turning of gray and nodular cast iron. The AZ5T tool sintered at 1600°C outperformed a commercial ceramic reference tool, demonstrating lower flank wear, improved edge stability, and superior surface finish. These findings confirm the potential of Al2O3- ZrO2-TiN composites, particularly with 5% TiN, for high-performance, durable, and environmentally favorable ceramic cutting tools in demanding machining applications.
dc.description.resumoOs compósitos cerâmicos de alto desempenho têm sido objeto de frequentes estudos nas últimas décadas, visando à melhora das propriedades mecânicas e ao aumento da sua gama de aplicações em produtos tecnológicos. Este trabalho apresenta o desenvolvimento e estudo de compósitos formados por alumina (Al2O3), zircônia (ZrO2) e diferentes quantidades de nitreto de titânio (TiN) — 1%, 3% e 5% em volume — com o objetivo de produzir ferramentas de corte para o processo de usinagem a seco. Essa técnica dispensa o uso de fluidos de corte, contribuindo para processos industriais mais sustentáveis. A escolha desses materiais se baseou na alta dureza e estabilidade da Al2O3, na capacidade da ZrO2 de aumentar a densificação e resistência à fratura e no TiN como reforço mecânico e redutor de desgaste. Os compósitos foram produzidos por sinterização convencional em duas temperaturas (1500°C e 1600°C) e caracterizados por técnicas como difração de raios X, microscopia eletrônica, análise química por EDS e ensaios mecânicos. Foram avaliadas propriedades como dureza, resistência à flexão, módulo de elasticidade, tenacidade à fratura, atrito e desgaste. Dentre as amostras, a composição com 5% de TiN (AZ5T) apresentou os melhores resultados: alta densificação, dureza de até 19,01 GPa e boa resistência à fratura e ao desgaste. Na fase final, as ferramentas experimentais produzidas com esses compósitos foram testadas no torneamento de ferro fundido nodular e cinzento, sem lubrificação. A ferramenta AZ5T sinterizada a 1600°C se destacou por manter a integridade do corte por mais tempo e causar menos desgaste, superando uma ferramenta cerâmica comercial usada como referência. Os resultados confirmam que o compósito Al2O3-ZrO2-TiN, especialmente com 5% de TiN, é uma solução promissora para ferramentas cerâmicas de alto desempenho, duráveis e ambientalmente mais adequadas para a indústria de usinagem. Esta pesquisa também amplia o conhecimento sobre o uso de materiais cerâmicos reforçados em condições severas de trabalho.
dc.identifier.citationCOSTA, Adriana e Silva da. Desenvolvimento e caracterização de compósitos cerâmicos Al2O3-ZrO2 com reforço de TiN para aplicação em ferramentas de corte. 2025. Tese (Doutorado em Engenharia e Ciência de Materiais) - Universidade Estadual de Ponta Grossa, Ponta Grossa, 2025.
dc.identifier.urihttps://ri.uepg.br/handle/123456789/2139
dc.language.isopt
dc.publisherUniversidade Estadual de Ponta Grossa
dc.rightshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2
dc.subjectCompósitos cerâmicos avançados
dc.subjectAl2O3-ZrO2-TiN
dc.subjectFerramentas de corte cerâmicas
dc.subjectTenacidade à fratura e desgaste
dc.subjectUsinagem a seco
dc.titleDesenvolvimento e caracterização de compósitos cerâmicos Al2O3-ZrO2 com reforço de TiN para aplicação em ferramentas de corte
dc.typedoctor thesis

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