Caracterização do comportamento tribológico das ferramentas de corte de Al2O3 e β-Si3N4

Abstract

A Tribologia, ciência que estuda o atrito, desgaste e lubrificação, é fundamental para otimizar sistemas mecânicos, impactando diretamente o consumo energético global. No entanto, persistem lacunas no conhecimento sobre o comportamento tribológico de ferramentas cerâmicas de corte. Este estudo investigou o comportamento tribológico de duas cerâmicas de corte amplamente utilizadas na indústria: óxido de alumínio (Al2O3) e β-nitreto de silício (β-Si3N4). O objetivo foi caracterizar e comparar seu desempenho, associando propriedades microestruturais e superficiais aos fenômenos de atrito e desgaste. A metodologia incluiu caracterização microestrutural e química por difração de raios-X (DRX), microscopia eletrônica de varredura por emissão de campo (MEV-FEG) e espectroscopia por energia dispersiva de raios X (EDS). A análise topográfica foi avaliada por perfilometria óptica, enquanto ensaios tribológicos quantificaram o coeficiente de atrito (COF) e a taxa de desgaste, utilizando esferas de ZrO2 e WC como contracorpos. Os resultados confirmaram a conformidade microestrutural e composicional dos materiais e revelaram que o β-Si3N4 apresenta rugosidade superficial significativamente superior à da alumina. Os ensaios demonstraram que o desempenho é altamente dependente do par tribológico e da carga aplicada. Para a alumina sob 10 N, o contracorpo de ZrO2 promoveu o menor coeficiente de atrito (0,14) e desgaste, enquanto WC elevou o atrito cerca de 60% e a taxa de desgaste aproximadamente quatro vezes superior. Já para o β-Si3N4 sob 30 N, o WC proporcionou o menor coeficiente de atrito (0,23), porém com maior dispersão nos resultados, indicando comportamento menos estável sob as condições testadas. Conclui-se que a seleção otimizada de cerâmicas para usinagem deve considerar não apenas propriedades intrínsecas, mas também a rugosidade superficial e a interação com o contracorpo, fatores que podem prolongar a vida útil e aumentar a eficiência de processos industriais.

Tribology, the science that studies friction, wear, and lubrication, is fundamental for optimizing mechanical systems, directly impacting global energy consumption. However, gaps remain in the knowledge regarding the tribological behavior of ceramic cutting tools. This study investigated the tribological behavior of two ceramics widely used in industry: aluminum oxide (Al2O3) and β-silicon nitride (β-Si3N4). The objective was to characterize and compare their performance, associating microstructural and surface properties with friction and wear phenomena. The methodology included microstructural and chemical characterization by X-ray diffraction (XRD), field-emission scanning electron microscopy (FEG-SEM), and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS). Topographic analysis was performed using optical profilometry, while tribological tests quantified the coefficient of friction (COF) and wear rate, employing ZrO₂ and WC spheres as counterbodies. The results confirmed the microstructural and compositional conformity of the materials and revealed that β-Si3N4 exhibits significantly higher surface roughness compared to alumina. The tests demonstrated that performance is highly dependent on the tribological pair and the applied load. For alumina under 10 N, the ZrO2 counterbody promoted the lowest coefficient of friction (0.14) and wear, while WC increased friction by about 60% and the wear rate by approximately four times. For β-Si3N4 under 30 N, WC provided the lowest coefficient of friction (0.23), but with greater dispersion in the results, indicating less stable behavior under the tested conditions. It is concluded that the optimized selection of ceramics for machining should consider not only intrinsic properties but also surface roughness and interaction with the counterbody, factors that can extend tool life and increase the efficiency of industrial processes.