DESENVOLVIMENTO DE PASTILHAS DE Si3N4-AlN-Y2O3 COM ELEVADA
RESISTÊNCIA MECÂNICA
J. V. C de SOUZA*
FEG-UNESP, Av. Dr. Ariberto Ferreira da Cunha, 333, cep 12516-410, Guaratinguetá-SP
*e-mail: [email protected]
C. SANTOS**
DEMAR-FAENQUIL, Pólo Urbo-Industrial, Gleba AI-6, s/n,cep 12600-000, Lorena-SP
**e-mail: [email protected]
O. M. M. SILVA*** ; C. R. M. da SILVA e F.C.L.de MELO
CTA-IAE-AMR, Pça. Marechal do Ar Eduardo Gomes, 50, cep. 12228-904, S.J.Campos –SP
***e-mail: [email protected]
RESUMO
O nitreto de silício (Si3N4) é um material cerâmico com boas propriedades de resistência à
corrosão, ao desgaste e elevada resistência mecânica à altas temperaturas. Uma de suas formas
cristalinas é o α’−SiAlON, uma solução sólida de α−Si3N4 onde, átomos de Y ocupam posições
intersticiais e Al e O, presentes nos aditivos de sinterização, substituem respectivamente, átomos
de Si e N na estrutura, gerando um material com dureza equivalente ao carbeto de silício (SiC) e
superior ao β–Si3N4. A associação destas propriedades o torna um material com grande potencial
para aplicações onde resistência ao desgaste seja exigida. Neste trabalho, foram fabricados corpos
de prova cerâmicos à base de Si3N4 para aplicações tribológicas. O desenvolvimento deste material
englobou uma análise detalhada do diagrama de fases do sistema Y-Si-Al-O-N, otimização dos
parâmetros de processamento, e caracterização mecânica e microestrutural. Foram obtidas 02
composições com propriedades promissoras para posteriores testes tribológicos, aliando elevada
dureza (18 – 20GPa) e tenacidade à fratura (4,9-5,1 MPa.m1/2), indicando, à nível preliminar, que
sua performance em serviço supere o β−Si3N4 tradicional.
Palavras-chave: processamento, Si3N4, α’-SiAlON, dureza, tenacidade à fratura.
1. INTRODUÇÃO
Boas propriedades termomecânicas, combinadas com baixa densidade e estabilidade química e
dimensional a temperaturas da ordem de 12000C fazem com que cerâmicas à base de nitreto de
silício (Si3N4) sejam materiais de interesse para uma variada gama de aplicações em temperaturas
elevadas. O uso destas cerâmicas, pela sua dureza em altas temperaturas, torna-se importante no
desenvolvimento de ferramentas de corte, permitindo alcançar maiores velocidades e/ou avanços
no corte, bem como em outras aplicações tribológicas, conforme demonstrado em vários trabalhos
(Silva 1992, Silva 1996, Silva 1999).
É crescente o interesse das indústrias na aplicação dos materiais cerâmicos denominados de
cerâmicas especiais ou técnicas. No entanto, a sua aplicação como componente estrutural é
relativamente restrita. Estes materiais apresentam alta resistência termomecânica, elevada dureza
mesmo com o aumento da temperatura, resistência ao desgaste e à corrosão, elevada resistência à
deformação e, no geral, estabilidade química superior à dos metais duros (carboneto de tungstênio).
Por outro lado, apresentam baixa tenacidade, principalmente à temperatura ambiente e baixa
resistência ao choque térmico. Na Tabela 1, apresentam-se as propriedades e aplicações típicas de
cerâmicas estruturais para fins tribológicos.
Tabela 1– Propriedades típicas de cerâmicas estruturais e aplicações para fins tribológicos, por
Rabinowicz (1965); Rice (1977); Richerson (1992); SANDVIK (1994); Sannino e Rack (1995),
Santhanakrishnan, Krishnamurthy e Malhotra, (1993) e Schey (1979).
Cerâmica
Propriedade
Si3N4
Al2O3
PSZ
SiC
TiC
Massa Específica
(g/cm3)
Dureza Vickers -HV
(GPa)
Tenac.Fratura –KIC
(MPa m1/2)
Coef. Expansão
Térmica (10-6/K)
Condutibilidade
Térmica (W/mk)
Módulo de Elasticid.
(GPa)
Aplicações
3,2
4,0
5,75
3,2
4,9
13-16
19
12,5
21-24
30
5,0-7,0
4,0
8,0
3,5-4,0
4,0
3,0
8,0
13
4,5
8,5
22
23
2,5
80
50
300-320
390
240
440
450
Ferramentas de corte
(ferro fundido cinzento),
componentes de
turbinas, motores,
vedantes, revestimentos,
instrumentos de precisão
Ferramentas de
corte (aços),
revestimentos,
proteção ao
desgaste químico,
vedantes de
válvulas
Aplicações
de choque
mecânico
Componente
de turbinas,
abrasivos de
retificação,
ferramentas de
desgaste
Hélices de
turbinas,
componentes
de motores,
revestimentos
Os óxidos, carbetos e nitretos são usados como materiais na fabricação de ferramentas de corte
por possuírem elevada dureza, excelente estabilidade química e alta resistência à compressão em
temperaturas elevadas (> 1000 °C).
O nitreto de silício e suas soluções sólidas são importantes cerâmicas estruturais que exibem
excelente resistência, tenacidade e dureza. Esta cerâmica pode existir em duas formas cristalinas,
α e β−Si3N4, e cada forma pode apresentar respectivas soluções sólidas denominadas α’ e β‘
SiAlON. Esta formação de solução sólida se dá durante o processamento pelo exato ajuste de
quantidades de Si3N4 com aditivos, a serem preparados a partir de análise dos diagramas de fases do
sistema M(metal)-Si-Al-O-N. O Y-α’-SiAlON possui características de elevada resistência à
fluência, alta dureza e baixa tenacidade à fratura quando comparado ao β’-SiAlON ou β-Si3N4, que
apresentam melhores resultados de tenacidade à fratura e menor dureza. Materiais que mesclem
estas propriedades podem ser úteis para certas propriedades tais como ferramentas de corte ou
corpos sujeitos ao elevado desgaste e choque mecânico.
O objetivo deste trabalho foi fabricar pastilhas cerâmicas de elevada dureza, e estudar os
aspectos microestruturais e as proporções de fases α’ e β (ou β’) no sistema de composição global
ajustada na linha 9:1 do sistema AlN-Y2O3 de forma a se obter dois (02) materiais distintos: α’ e
α’+β, para futuras investigações sobre seu comportamento em campo como ferramenta de corte.
Para efeito de comparação, foi preparada uma mistura de Si3N4-Al2O3-Y2O3 para obtenção de
partilhas cerâmicas com 100% de β-Si3N4.
1.1 Geometria da Ferramenta de Corte de Material Cerâmico
As ferramentas de corte de material cerâmico são frágeis nas arestas de corte, podendo ocorrer
lascas ou fraturas. É recomendada a utilização de canto chanfrado com inclinação negativa. O
aprimoramento na técnica de fabricação, nas propriedades mecânicas e na rigidez das ferramentas
fabricadas já permite o uso de geometria de inclinação positiva.
A Figura 1 mostra pastilhas com ângulo de ponta mais comuns, desde a pastilha redonda até
aquela com ângulo de 35 graus, na superfície lateral de folga. A escala 1 desta Figura indica que,
com relação à resistência da aresta de corte (S), quanto maior o ângulo de ponta (à esquerda), maior
a resistência. Com relação à versatilidade e acessibilidade (A), as pastilhas à direita são superiores.
A escala 2 indica que a tendência à vibração (V) aumenta para a esquerda enquanto a exigência
de potência (P) é mais baixa para a direita.
Figura 1 - Ângulo de ponta das ferramentas (Silva, 1996)
2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
2.1. Metodologia Utilizada na Fabricação das Ferramentas de Corte
Foram confeccionadas pastilhas das composições citadas na Tabela 2, que foram
subseqüentemente transformadas em insertos para usinagem. Utilizou-se o método de sinterização
normal por pressão de gás para a confecção das referidas pastilhas. As ferramentas foram testadas
em serviço para avaliação da sua vida útil. O formato e as dimensões do inserto foram definidos em
função de um porta ferramentas, Figura 2, já existente no mercado, apropriado para insertos
cerâmicos, com as seguintes especificações:
Pastilhas de Si3N4
Figura 2 - Planta e vista lateral do porta ferramentas.(Silva 1996)
Em que:
- b= 25 mm
- h= 25 mm
- h1 = 25 mm
- L1= 150 mm
- f1= 27 mm
- Kr = 750
- Ângulo de saída negativo: -60
- Ângulo de inclinação negativo: -40
O referido processamento das pastilhas cerâmicas é descrito em detalhes nos itens posteriores
servindo de referência para pesquisas futuras no desenvolvimento de ferramentas de corte à base de
Si3N4.
2.1.1. Preparação das Composições
As composições estudadas foram misturas à base de nitreto de silício (α−Si3N4) aditivado com
nitreto de alumínio (AlN) e óxido de ítrio (Y2O3). A razão molar de AlN:Y2O3 foi 9:1 para as
composições estudadas (SN1 e SN2), variando-se apenas a quantidade de aditivos (15 e 20% em
volume), conforme indicado na Figura 3 e discriminado na Tabela 2, seguinte. Nesta Tabela é
apresentada ainda a composição alternativa utilizada para comparação.
1 2
Figura 3. Parte do sistema Y-Si-Al-O-N mostrando as fases α’-SiAlON e β’-SiAlON para o prisma
de Jack (1976) e o sistema Si3N4-AlN-Y2O3 proposto por Mitomo e Fukunaga (1981).
Tabela 2 - Composições das amostras com aditivos de sinterização.
Composição (% em peso)
Si3N4
AlN
Y2O3
Al2O3
Amostra
SN1 (15%)
SN2 (20%)
β−Si3N4
82,7
77,3
84,5
10,7
14,1
5,5
6,6
8,6
---
--10,0
2.1.2. Moagem/Mistura
Efetuou-se a pesagem dos pós em balança analítica, procedendo-se a seguir à moagem/mistura
dos mesmos em moinho planetário, por 2 horas, a úmido. Utilizou-se, para esse fim, potes de
nalgene, bolas de alumina como meio de moagem e álcool etílico como meio líquido. Ao término
do processo, as misturas foram filtradas e secadas a 80 0C, por 24 horas. As misturas foram, em
seguida, desagregadas em almofariz de ágata com subseqüente peneiramento em malha de 100
mesh.
2.1.3. Compactação
A compactação dos pós, para a confecção dos corpos-de-prova, foi efetuada em duas etapas. Na
primeira etapa, os corpos-de-prova foram compactados em matrizes de aço, com camisa flutuante,
desenvolvidas e confeccionadas no CTA/IAE/AMR na geometria de pastilhas quadradas com 10 x
10 x 5 mm, Figura 4, utilizando-se prensagem uniaxial a frio. A carga de compactação utilizada na
prensagem uniaxial a frio foi de 50 MPa, durante 30s, com subseqüente descompressão com tempo
de 60s. Os corpos-de-prova foram então retirados da matriz para as etapas subseqüentes de
processamento.
Figura 4. Vista geral da matriz quadrada, para prensagem de pastilhas quadradas.
Na segunda etapa, os corpos-de-prova prensados uniaxialmente foram submetidos à prensagem
isostática a frio, com o objetivo de melhorar as propriedades a verde dos mesmos. Essa etapa foi
realizada em uma prensa isostática tipo KIP 100 E, marca Paul Weber. As amostras foram
primeiramente encapsuladas a vácuo em moldes flexíveis de látex. Os referidos moldes foram, a
seguir, colocados na câmara de prensagem e imersos em óleo. A velocidade de compactação foi de
15 MPa/s, com pressão de prensagem de 300 MPa, por 60 seg.
2.1.4 Sinterização
A sinterização dos compactos foi executada em forno com resistência de grafite, sob atmosfera
de N2, utilizando as mesmas condições de sinterização para todas as misturas. O ciclo de
sinterização utilizado é apresentado a seguir:
-25 a 1000 0C com taxa de 150C/min, sob vácuo;
-10000C a 1750 0C com taxa de 100C/min, e pressão de 0,1 MPa de N2;
-17500C, isoterma de 30 minutos, sob 1,5 MPa;
-17500C a 19000C, com taxa de 100C/min, e 1,5 MPa de N2;
-19000C, isoterma de 1 hora, a 1,5 MPa.
-Resfriamento com taxa de 250C/min.
Os corpos-de-prova, previamente compactados uniaxial e isostáticamente, ambos a frio, foram
colocados em um cadinho de grafite, envolvido por uma mistura composta de 70 % de nitreto de
silício (Si3N4) e 30 % de nitreto de boro (BN), denominada “camada protetora”, visando minimizar
a perda por dissociação e, também, evitar a oxidação do nitreto de silício (Si3N4).
2.2. Caracterização
2.2.1. Análise por Difratometria de Raios-X
As análises por difratometria de raios-X, efetuadas nas amostras sinterizadas, foram feitas em
um aparelho da marca Phillips modelo PW-1380/80, com tubo emissor de filamento de cobre.
Utilizando-se fichas de identificação compiladas pela International Centre for Diffraction Data,
foram identificados os compostos que se cristalizaram na fase intergranular, além das formas
estruturais do Si3N4.
Uma análise aproximada do percentual de transformação α→β-Si3N4 das amostras com
diferentes porcentagens de aditivos foi efetuada através da comparação das intensidades relativas
dos picos, segundo procedimento recomendado por Gazzara e Messier (1977).
2.2.2. Massa Específica
A massa específica aparente das amostras foi calculada, segundo a norma ASTM-C 744-74,
que se baseia no Princípio de Arquimedes. Comparando esta massa específica com a massa
específica teórica (obtida pela fração equivalente de cada material), obteve-se a densidade relativa
das amostras sinterizadas.
2.2.3. Análise por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)
As amostras sinterizadas, foram lixadas e polidas e submetidas a ataque químico de sais
fundidos (1:1 de NaOH-KOH) por 5 min, a 5000C, para revelação microestrutural. A análise da
morfologia de grãos das amostras sinterizadas, polidas e atacadas foi efetuada utilizando-se de um
microscópio eletrônico de varredura modelo LEO 1450VP. Visando à melhoria da imagem obtida e
facilidade na interpretação dos resultados, as amostras foram recobertas com um filme de ouro, para
tornar a superfície condutora.
2.2.4. Microdureza
Nas amostras devidamente polidas foram executadas medidas de microdureza Vickers com
penetrador de diamante de 136°, aplicando carga de 2000gf. Foram realizadas 10 impressões, em
cada amostra obtida. Utilizou-se, para estas medidas, um microdurômetro digital, modelo
MICROMET 2004.
2.2.5. Tenacidade à Fratura
A tenacidade à fratura (KIC) foi determinada pelo método de impressão Vickers, com
penetrador de diamante de 136°, carga de 2000gf, para todas as amostras. Utilizou-se a Equação (1)
para determinação do KIC via impressão Vickers, que está apresentada a seguir.
K IC =
0,0726 × Fa
(1)
3
c2
Em que:
- KIC = tenacidade à fratura (MPa m1/2);
- Fa = carga aplicada (kgf); e
- c = metade do comprimento da fissura provocada pela indentação (mm).
3.RESULTADOS E DISCUSSÕES
3.1. Sinterização
A Figura 5 mostra as ferramentas de corte fabricadas, após o acabamento final de acerto das
dimensões e ângulos de corte.
Figura 5. Vista geral das ferramentas à base de Si3N4 fabricadas.
Os resultados das propriedades físicas tais como, densidade relativa, perda de massa, as
quantidades e as fases presentes para as composições estudadas estão representadas na Tabela 3.
Composição
(Ref. Fig 3)
Tabela 3. Características dos corpos sinterizados.
Densidade
Perda de
Fases
Relativa (%) massa (%) Cristalinas
SN1
(Si3N4 +15 vol.% 9:1 AlN/Y2O3)
SN2
(Si3N4 +20 vol.% 9:1 AlN/Y2O3)
β−Si3N4
(Si3N4 +10 vol.% Al2O3/Y2O3)
98,1 ± 0,1
1,3 ± 0,1
97,9 ± 0,1
2,1 ± 0,1
99,1 ± 0,1
2,7 ± 0,2
α’-SiAlON,
β−Si3N4
α’-SiAlON
Y2Si3N4O3(melilita)
β−Si3N4
Relação
α’:β
97 : 03
100 : 00
00 : 100
As duas composições (SN1 e SN2) apresentaram densidade relativa média em torno de 98%da
densidade teórica. Estes resultados são bastante satisfatórios e estão coerentes com dados da
literatura para cerâmicas de α’-SiAlON (Komeya, 1988), que são um pouco inferiores ao β-Si3N4
sinterizado por fase líquida (próximos a 100%). Esta dificuldade de densificação se dá devido ao
fato de que a fase líquida formada durante a sinterização é consumida para formação de solução
sólida, diminuindo assim a densificação em temperaturas elevadas e por tempos mais prolongados.
Os resultados de análise de fase indicam que as composições utilizadas estão coerentes com o
diagrama de Mitomo e Fukunaga (1981) (Fig.3b), com presença de fases α’−β (97:3%) e
α’(100%) para as composições SN1 e SN2, respectivamente.
3.2. Microestrutura
A Figura 6 apresenta a microestrutura das amostras SN1 e SN2 e β−Si3N4, após a sinterização.
β−Si3N4 3%
α’-SiAlON 97%
α’-SiAlON 100%
2µm
2µm
(a)
(b)
β−Si3N4
2µm
(c)
Figura 6. Micrografia das amostras: a) SN1 (15% vol.); b) SN2 (20% vol.) e c) β−Si3N4 (10%vol.).
Os aspectos microestruturais das composições SN1 e SN2 (Figura 6a-b) indicam microestrutura
majoritariamente de grãos α’-SiAlON com baixa razão de aspecto (relação comprimento/diâmetro),
coerentes com as proporções de fases indicadas na Tabela 3. Estes aspectos microestruturais
favorecem a redução da tenacidade à fratura deste cerâmico devido à menor deflexão das trincas,
quando comparados com o β-Si3N4 (Fig 6-c), que possui grãos mais alongados e com características
de deflexão de trincas, o que leva a um aumento da tenacidade ‘a fratura.
3.3. Propriedades Mecânicas
A Tabela 4 apresenta os resultados de microdureza vickers e tenacidade à fratura dos corpos
sinterizados.
Tabela 4. Microdureza e tenacidade à fratura das ferramentas cerâmicas sinterizadas.
Composição
(ref. fig 1)
SN1 (Si3N4+15 vol.% 9:1 AlN/Y2O3)
SN2 (Si3N4+20 vol.% 9:1 AlN/Y2O3)
β−Si3N4 (Si3N4+10 vol.% Al2O3/Y2O3
Microdureza(2000gf)
(GPa)
19,6 ± 0,5
18,3 ± 0,4
14,1 ± 0,5
Tenacidade à Fratura
KIC (MPa.m1/2)
4,9 ± 0,5
5,1 ± 0,5
5,6 ± 0,3
A dureza dos cerâmicos depende da sua composição química, teores de aditivos, tamanho de
grão, grau de cristalinidade, porosidade, orientação cristalográfica, e outros fatores intrínsecos,
como a temperatura de ensaio, atmosfera ou ambiente químico. A dureza do nitreto de silício
diminui com o aumento da quantidade de fase intergranular, em geral mais frágil que o grão
cristalino e com o aumento da quantidade de fase β. Isto pôde ser verificado nas amostras SN-2,
que após a formação de 100% de α’-SiAlON, apresentou fase intergranular em excesso (melilita),
diminuindo assim sua dureza. As características reológicas da fase intergranular são determinantes
na dureza a quente (T>1000 0C) dado o aparecimento dos mecanismos de cedência mecânica nos
limites de grão ativados termicamente, tal como a fluência viscosa. Desta forma, consideramos que
o material SN1 apresenta maior dureza, menor quantidade de fase intergranular e desta forma,
proverá melhores propriedades de resistência ao desgaste aliadas com a maior dureza por elas
apresentadas. Esta afirmação só poderá ser feita após se analisar a tenacidade à fratura do material,
pois a tenacidade à fratura de um material, KIc, é um indicador da sua ductilidade ou fragilidade,
isto é, da sua capacidade de, sob carga, fraturar com ou sem suporte de deformação plástica.
Assim como a dureza, a tenacidade à fratura também diminui com o aumento da porosidade,
quer por diminuição do volume, quer por aumento de tensões residuais e concentração de tensões
nos poros.A resistência à propagação de trincas está relacionada com a maior ou menor dissipação
de energia por mudança de direção das trincas, na sua ramificação em trincas menores e, ainda, no
arrancamento de grãos β-Si3N4 alongados, mecanismos estes absorvedores de energia. Desta forma,
microestruturas finas ricas em fase β-Si3N4, com maiores valores de razão de aspecto, conduzem a
maior tenacidade à fratura, conforme pôde ser observado na Tabela 4.
Os resultados de tenacidade à fratura apresentados na Tabela 4 indicam que ambos materiais
SN apresentam tenacidade similar. Este comportamento se deve a alguns fatores: As amostras
SN1 apesar da pequena quantidade de fase intergranular remanescente, compensa esta deficiência
com 3% de grãos β-Si3N4 com razão de aspecto superior, servindo como obstáculo para a
propagação das trincas. Além disso, os grãos de α’-SiAlON, deste material são menos equiaxiais
que os das amostras SN2, sendo assim, apesar da tenacidade à fratura ser similar, esta tenacidade só
é atingida nas amostras SN2 devido a presença da fase intergranular, e não pelos aspectos
microestruturais. Como já se sabe que esta fase intergranular degenera as propriedades do corpo
cerâmico em aplicações onde alta temperatura é exigida, tais como em ferramentas de corte e
abrasivos, podemos afirmar que o material SN1 possui melhores propriedades mecânicas para
trabalhos à quente (tais como em ferramentas de corte) que as amostras SN2 e β-Si3N4, pois estes
últimos possuem menor dureza e maior quantidade de fase intergranular.
4. CONCLUSÕES
Ferramentas de corte à base de Si3N4 foram obtidas pelo processamento de misturas distintas,
visando a obtenção de materiais com baixa porosidade, alta dureza e boa tenacidade à fratura. A
utilização de soluções sólidas de Si3N4, denominadas α’-SiAlONs gerou pastilhas com dureza de
18 a 20 GPa e tenacidade à fratura em torno de 5 MPa.m1/2. A utilização de microestruturas duplex
(α’+ β-Si3N4), amostras SN1, levou a obtenção de materiais com maior dureza (20GPa) e com
tenacidade à fratura praticamente similar aos materiais com fase intergranular em excesso, amostras
SN2, em torno de 5,1 MPa.m1/2, sendo esta última composição, de propriedades mecânicas em
temperaturas elevadas, inferiores ao SN1, assim como as amostras 100% de β−Si3N4, devido a
maior quantidade de fase intergranular presente.
5. AGRADECIMENTOS
Gostaríamos de agradecer à FAPESP pelo apoio financeiro (Processo n0 01/08682-6).
6. REFERÊNCIAS
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Analysis,” Ceram.Bulletin, 56 [9] (1977).
JACK, K. H., J. Mat. Sci. 11:1135 (1976).
KOMEYA, K., “Fabrication and Properties of Silicon Nitride ceramics”, Fine Ceramics,175-88,Ed. by
S.Saito, Elsevier, Japan, 1988.
MITOMO, M. and FUKUNAGA, O., Yogyo-Kyokai-Shi 89:631 (1981).
RABINOWICZ., E., Friction and Wear of Materials, John Wiley & Sons, New York, 1965
RICE, R.R., Treatise on Materials Science and Technology. Ed. R.K. Mac Crone, Academic Press, New
york. v. 11, p.199-381,1977.
RICHERSON, D.W. Modern ceramic engineering. 2 ed. New York: Marcel Dekker, 1992. p.569.
SANDVIK. Tool Wear. In: Modern metal cutting a practical handbook. 1a ed. Sweden: Tofters Tryckeri AB,
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SANNINO., A. P; RACK., H. J. Wear, v.189, p. 1-19, 1995
SANTHANAKRISHNAN, G., KRISHNAMURTHY, R., MALHOTRA, S. K., Investigation on the
dynamics of macchining of composites. In: ICCM. 9, 1993, Madrid. p. 608-15, 1993
SCHEY., J.A. Tribology in metalworking: friction, lubrification, and Wear. Ohio: American Society for
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SILVA, O.M.M. Desenvolvimento e caracterizasção de ferramentas de corte nacionais de nitreto de silício.
São José dos Campos, 1996 Tese (Mestrado em ciências) – Instituto Tecnológico de Aeronáutica
SILVA, O.M.M. BALDACIM, S.A., J.V.GOMES, R.F.SILVA, C.R.M.SILVA., Estudos preliminares sobre
o comportamento tribológico de cerâmicos à base de Si3N4 em deslizamento sobre compósito c/c. In:
ENCONTRO DA SOCIEDADE PORTUGUESA DE MATERIAIS, 9, 1999, Guimarães/Portugal.
Anais... Guimarães: Uminho, 1999. V.2, p.361-67.
SILVA, R.R.F. Cinética de sinterização e desgaste de pastilhas de corte do sistema Si3N4 - CeO2 – AlN.
Aveiro/Portugal, 1992. Tese (Doutorado em Eng. Mat.) - Universidade de Aveiro.
DEVELOPMENT OF Si3N4-AlN-Y2O3 BODIES WITH HIGH STRENGTH
J. V. C de SOUZA*
FEG-UNESP, Av. Dr. Ariberto Ferreira da Cunha, 333, cep 12516-410, Guaratinguetá-SP, Brazil.
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O. M. M. SILVA*** ; C. R. M. da SILVA and F.C.L.de MELO
CTA-IAE-AMR, Pça. Mal do Ar Eduardo Gomes, 50, cep. 12228-904, S.J.Campos –SP, Brazil.
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ABSTRACT
Silicon nitride (Si3N4) is a interesting material that possesses good corrosion and wear
resistance and high mechanical resistance at high temperatures. α’−SiAlON is a solid solution of
α−Si3N4 where, Y atoms ocupping intersticials positions and, Al and O, present in the sintering
additives, substitute respectively Si and N atoms in the structure, generating a material with
equivalent hardness to the silicon Carbide (SiC) and superior to the β–Si3N4. The association of
these properties turns him/it a material with great potential for applications where wear resistance
is demanded. In this work, bodies-proof were manufactured to the Si3N4 based for tribological
applications. The development of this material included a detailed analysis of the phase diagram in
the system Y-Si-Al-O-N, processing parameters optimization, and mechanical and microstructural
characterization. Were obtained 02 compositions with promising properties for subsequent
tribological tests, allying high hardness (18–20 GPa) and fracture toughness (5 MPa.m1/2),
indicating, to at preliminary level, what your performance overcome β−Si3N4.
Key-words: processing, Si3N4, α’-SiAlON, hardness, fracture toughness.