Mecanismos de remoção em alumina sinterizada por lapidação plana com cinemática cicloidal

Abstract

Dureza e fragilidade conferem as cerâmicas avançadas sinterizadas desafios de usinagem, tipicamente realizada por processos abrasivos. Amplamente empregada na indústria, a lapidação plana com cinemática cicloidal concilia correção de forma e acabamento de materiais de difícil usinagem. Usualmente, a lapidação emprega um veículo com característica lubrificante como meio para transportar os abrasivos. Alguns óleos e aditivos são nocivos, geram insalubridade no ambiente de trabalho e poluem o meio ambiente quando não são descartados corretamente, aumentando o custo de produção. Por outro lado, há demanda por peças e componentes cerâmicos para indústrias mecânica, eletrônica e fotônica que requerem processos sustentáveis para remover material sem introduzir defeitos microestruturais, área essa contemplada pela usinagem abrasiva de precisão e ultraprecisão. Dentro deste contexto, esta pesquisa investigou os mecanismos de remoção em alumina sinterizada por lapidação plana com cinemática cicloidal com lapidador de alumínio (5052F) e abrasivo de diamante monocristalino (Ø = 54 µm) sob duas pressões de lapidação (20 e 25 kPa) e água destilada como veículo e fluido de corte. O lapidador foi previamente texturizado para induzir o ancoramento de abrasivos para acentuar o mecanismo de abrasão dois corpos. Os resultados revelaram predomínio do modo frágil de remoção por abrasão três corpos, com presença em menor quantidade de microranhuramento, microsulcamento e microcorte, promovidos preferencialmente por abrasão dois corpos. Embora o mecanismo de remoção seja predominantemente frágil, envolvendo a nucleação e propagação de trincas inter e transgranulares, não foram encontrados danos reminiscentes na microestrutura policristalina que comprometam a aplicação mecânica. O aumento da pressão de lapidação melhora o acabamento (menor rugosidade, Ra = 0,894±0,166 µm) e aumenta a taxa de remoção de material (até 3 vezes superior para a pressão 25 kPa) de maneira determinística. Os resíduos não são nocivos ao meio ambiente e não contaminam as peças, que devido ao uso de água destilada, deixam o processo facilitando a etapa de limpeza sem utilização de solventes e reduzindo o custo de produção.

Hardness and brittleness confer on advanced sintered ceramics machining challenges, typically performed by abrasive processes. Widely used in industry, flat lapping with cycloidal kinematics reconciles shape correction and finishing of materials that are difficult to machine. Traditionally, lapping employs a vehicle with a lubricating characteristic as a method to transport the abrasives. Some oils and additives are harmful to the environment when they are not disposed of correctly, increasing the cost of production. On the other hand, there is a demand for ceramic parts and components for the mechanical, electronic and photonic industries that require sustainable processes to remove material without introducing microstructural defects, an area covered by precision and ultra-precision abrasive machining. Within this context, this research investigated the mechanisms of removal of sintered alumina in flat lapping with cycloidal kinematics with aluminum lapping (5052F) and single-crystalline diamond abrasive (Ø = 54 µm) under two lapping pressures (20 e 25 kPa) and distilled water as a vehicle. The lapping plate has been previously textured to promote the embedded of abrasives to accentuate the two-body abrasion mechanism. Although the removal mechanism was predominantly brittle, involving nucleation and propagation of intergranular and transgranular cracks, with less quantity of microscratching, microploughing and microcutting, no residual damage was observed in the polycrystalline microstructure that would compromise mechanical performance. The best surface finish was achieved at 25 kPa pressure, with Ra = 0.894±0.166 µm and Rku = 13.866±7.964, indicating plateau-like surfaces and deterministically elevated material removal rates (MRR) up to three times higher at 25 kPa compared to 20 kPa. The residues were non-toxic, environmentally benign, and did not contaminate components, which exited the process virtually clean. This eliminates the need for solvent-based cleaning and reducing production costs.