Characterization of Al2O3-NbC homogeneous and heterogeneous composites (functionally graded materials) for use as cutting tools

Ferramentas de corte cerâmicas possuem um desempenho superior em altas velocidades de corte comparada aos tradicionais cermetos de WC-Co. Isto ocorre pela sua dureza elevada, especialmente em altas temperaturas e grande estabilidade térmica. Porém, a baixa tenacidade à fratura e a fratura frágil das cerâmicas limitam seu uso. Geralmente as ferramentas cerâmicas são matrizes de Al2O3-NbC reforçadas com carbetos como TiC, WC, SiC ou ZrO2. Devido à abundância de minério de Nióbio no Brasil, trabalhos recentes estudaram a viabilidade do NbC como reforço, onde foi constatado que o mesmo também oferece boas propriedades, sendo uma boa alternativa, melhorando as propriedades da ferramenta. A resistência ao desgaste é um fator importante para avaliar o tempo de vida de uma ferramenta, e há poucos estudos sobre os mesmo deste novo compósito. O presente trabalho estudou o comportamento em desgaste e propriedades mecânicas, como dureza e tenacidade à indentação, para amostras de Al2O3 com teores de 5, 15, 25 e 30% em peso de NbC. As peças foram produzidas por Sinterização assistida por corrente elétrica (SPS). Foi constatado um aprimoramento da resistência ao desgaste com o aumento do teor de NbC, mesmo a dureza tendo atingido um valor constante. Isto mostra que a resistência ao desgaste pode ser um fator determinante para selecionar o teor adequado de NbC a fim de garantir melhor desempenho. Também foram estudadas as propriedades dos compósitos homogêneos e heterogêneos de Al2O3-NbC, assim como do cermeto comercial de WC-Co. Os resultados de aprimoramento da dureza e tenacidade à indentação do material com gradação funcional (MGF) de composição química em relação ao seu compósito homogêneo comprovam a eficácia das tensões residuais de compressão na superfície das peças, dificultando a propagação da trinca. Porém no modelo de ensaio pino-disco, as tensões residuais de compressão, mesmo que elevando a dureza e a tenacidade à indentação, prejudicaram a resistência do material com gradiente funcional (MGF) comparado ao seu compósito homogêneo e o cermeto de WC-Co comercial.Ceramic cutting tools have superior performance at high cutting speeds compared to traditional WC-Co cermets. This is due to its high hardness, especially at high temperatures and high thermal stability. However, the low fracture toughness and brittle fracture of the ceramics limit its use. Generally, the ceramic tools are Al2O3 reinforced with carbides such as TiC, WC, SiC or ZrO2. Due to the abundance of Niobium ore in Brazil, recent studies have studied the viability of NbC as reinforcement, where it was found that it also offers good properties, being a good alternative, improving the properties of the tool. The wear resistance is an important factor to evaluate the lifetime of a tool, and there are few studies on the same of this new composite. The present work studied the behavior in wear and mechanical properties, such as hardness and indentation toughness, for samples of Al2O3 with contents of 5, 15, 25 and 30% by weight of NbC. The samples were produced by Spark Plasma Sintering (SPS). An improvement in the wear resistance with the increase in NbC content was observed, even when the hardness reached a constant value. This shows that wear resistance may be a determining factor in selecting the appropriate NbC content to ensure better performance. The properties of the homogeneous and heterogeneous composites of Al2O3-NbC as well as the commercial WC-Co cermet were also studied. The results of the improvement of the hardness and indentation toughness of the material with functional gradient (FGM) of chemical composition in relation to its homogeneous composite prove the effectiveness of the residual stresses of compression on the surface of the pieces, making difficult the propagation of the crack. However, in the pin-disc test model, the residual stresses of compression, even raising the hardness and the indentation tenacity, prejudice the resistance of the MGF compared to its homogeneous composite and commercial WC-Co cermet