BR102021024595A2

BR102021024595A2 - CERAMIC MATRIX COMPOSITE OF ALUMINUM (AL2O3) WITH PARTICULATE TITANIUM NITRIDE (TIN) REINFORCEMENT, PROCESSED BY CONVENTIONAL SINTERIZATION USING POWDER GRAPHITE AS A SACRIFICE PHASE, FOR THE PRODUCTION OF CUTTING TOOLS IN MACHINING PROCESSES

Info

Publication number: BR102021024595A2
Application number: BR102021024595-6A
Authority: BR
Inventors: Adriana Scoton Antonio Chinelatto; Adriana E Silva Da Costa; Lucas Alexandre Do Nascimento E Silva; Adilson Luiz Chinelatto; Christiane Lago Ojaimi
Original assignee: Universidade Estadual De Ponta Grossa
Filing date: 2021-12-06
Publication date: 2023-06-20

Abstract

Compreende a produção de um compósito cerâmico à base de Al2O3 (Óxido de Alumínio) reforçada com material particulado micrométrico de TiN (Nitreto de Titânio) por um método de produção convencional de materiais cerâmicos. Objetivo deste compósito cerâmico do sistema Al2O3-TiN é produzir ferramentas de corte para processos de usinagem com a possibilidade de diversas geometrias de forma simples, com baixo custo e alto desempenho de produtivo. A produção do compósito cerâmico inicia-se com a etapa de moagem e homogeneização das composições, em moinho de bolas. Após o processo de mistura, as composições são conformadas em matriz de aço com formato prévio desejado, pelo processo de prensagem uniaxial. Em seguida as peças são sinterizadas convencionalmente, nas temperaturas entre 1500 e 1600° C e patamar de 2 horas com taxa de aquecimento de 10º C/min. Para o processo de sinterização, as peças são colocadas em um cadinho de alumina, e são cobertos totalmente com grafite em pó, o qual serve de material como fase sacrifício, com a função de evitar a oxidação da amostra. Após a sinterização, resulta-se em peças com a geometria definida pelo processo de compactação e alta densidade, o qual passará por um processo de retificação para melhorar a rugosidade superficial e realizar a confecção do raio de ponta da ferramenta de corte.

It comprises the production of a ceramic composite based on Al2O3 (Aluminum Oxide) reinforced with TiN (Titanium Nitride) micrometric particulate material by a conventional production method of ceramic materials. The objective of this ceramic composite of the Al2O3-TiN system is to produce cutting tools for machining processes with the possibility of different geometries in a simple way, with low cost and high production performance. The production of the ceramic composite begins with the grinding and homogenization of the compositions, in a ball mill. After the mixing process, the compositions are shaped in a steel matrix with the desired pre-format, by the uniaxial pressing process. Then, the parts are sintered conventionally, at temperatures between 1500 and 1600° C and a 2-hour hold at a heating rate of 10° C/min. For the sintering process, the pieces are placed in an alumina crucible, and are completely covered with powdered graphite, which serves as a material as a sacrifice phase, with the function of preventing sample oxidation. After sintering, it results in parts with the geometry defined by the compaction process and high density, which will undergo a grinding process to improve surface roughness and perform the making of the nose radius of the cutting tool.

Description

CERAMIC MATRIX COMPOSITE OF ALUMINUM (AL2O3) WITH PARTICULATE TITANIUM NITRIDE (TIN) REINFORCEMENT, PROCESSED BY CONVENTIONAL SINTERIZATION USING POWDER GRAPHITE AS A SACRIFICE PHASE, FOR THE PRODUCTION OF CUTTING TOOLS IN MACHINING PROCESSES

FIELD OF THE INVENTION

[001] A presente invenção refere-se à produção de um compósito cerâmico de matriz cerâmica de Al2O3 (Óxido de Alumínio) com reforço de TiN (Nitreto de Titânio) particulado, cujo destaque é o emprego do TiN particulado disperso na matriz cerâmica de Al2O3. As composições produzidas e conformadas passam pelo processo de sinterização convencional, utilizando grafite em pó como material de sacrifício. O compósito cerâmico pode apresentar variações em sua composição, no que se diz respeito à quantidade de TiN particulado disperso na matriz cerâmica Al2O3, e pode ter diferentes formas geométricas para a produção de pastilhas/insertos utilizadas como ferramentas de corte aplicadas em processos de usinagem convencionais ou CNC, o qual se aplica remoção de cavaco.[001] The present invention refers to the production of a ceramic composite of Al2O3 (Aluminum Oxide) ceramic matrix reinforced with particulate TiN (Titanium Nitride), whose highlight is the use of particulate TiN dispersed in the Al2O3 ceramic matrix . The compositions produced and shaped go through the conventional sintering process, using powdered graphite as the sacrificial material. The ceramic composite may present variations in its composition, with regard to the amount of particulate TiN dispersed in the Al2O3 ceramic matrix, and may have different geometric shapes for the production of inserts/inserts used as cutting tools applied in conventional machining processes or CNC, which applies chip removal.

APPLICATION FIELD

[002] A invenção pleiteada se aplica no segmento industrial, mais especificamente no setor metalmecânico de processos de fabricação por usinagem e transformação de matéria prima, onde se utilizam tecnologias em ferramentas de corte, mais especificamente em processo para confecção de ferramentas de corte tipo “pastilhas e/ou insertos”, aplicada a compósitos cerâmicos utilizados para a conformação e fabricação dessas ferramentas de corte com base de materiais cerâmicos.[002] The claimed invention applies in the industrial segment, more specifically in the metalworking sector of manufacturing processes by machining and transformation of raw materials, where technologies are used in cutting tools, more specifically in the process for making cutting tools type " inserts and/or inserts”, applied to ceramic composites used for the conformation and manufacture of these cutting tools based on ceramic materials.

[003] Nas últimas décadas, o emprego de compósitos cerâmicos tem evoluído e se destacado dentre os materiais considerados inovadores empregados no setor metalmecânico, aplicando-se também na produção de ferramentas de corte para processos de usinagem. Muitas pesquisas buscam o desenvolvimento de novos materiais e composições cerâmicas juntamente com o aprimoramento dos processos de produção para a aplicação em ferramentais de corte, visando melhorias como a redução de custos de produção, melhor repetibilidade e homogeneidade dos compósitos cerâmicos produzidos, com o foco em obter propriedades mais adequadas para essa aplicação.[003] In recent decades, the use of ceramic composites has evolved and stood out among the materials considered innovative used in the metalworking sector, also applying in the production of cutting tools for machining processes. Many researches seek the development of new materials and ceramic compositions together with the improvement of production processes for application in cutting tools, aiming at improvements such as the reduction of production costs, better repeatability and homogeneity of the ceramic composites produced, with a focus on obtain more suitable properties for that application.

[004] Os compósitos cerâmicos já têm destaque no cenário industrial e são materiais que apresentam uma grande utilização comercial aplicada ao setor de ferramentas de corte, para o atendimento dos setores industriais onde se emprega os processos de usinagem. Esses processos de usinagem, tanto processos convencionais quanto os processos CNC – Comando Numérico Computadorizado tem como objetivo a remoção de material, mais especificamente chamado de “cavaco”, os quais são de extrema importância na transformação de matéria prima, produção e fabricação de diversas peças, componentes, equipamentos e maquinários para diversos setores da economia.[004] Ceramic composites already stand out in the industrial scenario and are materials that have a wide commercial use applied to the cutting tools sector, to serve the industrial sectors where machining processes are used. These machining processes, both conventional processes and CNC processes - Computerized Numerical Command, have the objective of removing material, more specifically called "chip", which are extremely important in the transformation of raw materials, production and manufacture of various parts. , components, equipment and machinery for various sectors of the economy.

[005] Diante disso, pode-se destacar dois dos principais pontos atrativos dos compósitos cerâmicos para produção de ferramentas de corte, mais especificamente a produção de pastilhas/insertos de corte. O primeiro ponto está relacionado ao aumento da vida útil da ferramenta de corte cerâmicas que ocorre devido ao aumento da dureza, melhoramento da tenacidade à fratura, estabilidade química a quente, redução no desgaste da aresta de corte, redução do coeficiente de atrito entre ferramenta e peça, aumento na resistência mecânica da pastilha/inserto e redução no “setup” das máquinas utilizadas para os processos de usinagem. O segundo ponto trás interesse pela exploração de novos processos produtivos para a fabricação das ferramentas de corte cerâmicas, mais especificadamente “pastilhas/insertos”, com o objetivo de reduzir os custos de fabricação das ferramentas de corte com base cerâmica.[005] In view of this, two of the main attractive points of ceramic composites for the production of cutting tools can be highlighted, more specifically the production of cutting inserts/inserts. The first point is related to the increase in the useful life of ceramic cutting tools that occurs due to the increase in hardness, improvement in fracture toughness, chemical stability when hot, reduction in wear on the cutting edge, reduction in the coefficient of friction between tool and part, increase in the mechanical resistance of the insert/insert and reduction in the “setup” of the machines used for the machining processes. The second point brings interest in exploring new production processes for the manufacture of ceramic cutting tools, more specifically “inserts/inserts”, with the aim of reducing the manufacturing costs of ceramic-based cutting tools.

[006] Tendo em vista a busca pelo aprimoramento na produção de ferramentas de corte com base cerâmica, a presente invenção trás o desenvolvimento de um compósito cerâmico com matriz cerâmica de Al2O3 com reforço particulado de TiN disperso nessa matriz cerâmica. A utilização do Al2O3 se destaca pelo baixo custo da matéria prima, excelente estabilidade química, principalmente em altas temperaturas, um bom índice de dureza, boa resistência ao desgaste, entre outros. Para reforçar essa matriz cerâmica foi disperso quantidades variadas de TiN particulado, o qual agregou para matriz cerâmica Al2O3 o aumento da resistência mecânica, dureza e tenacidade à fratura, após o processo de sinterização.[006] In view of the search for improvement in the production of ceramic-based cutting tools, the present invention brings the development of a ceramic composite with a ceramic matrix of Al2O3 with particulate reinforcement of TiN dispersed in this ceramic matrix. The use of Al2O3 stands out due to the low cost of the raw material, excellent chemical stability, especially at high temperatures, a good hardness index, good resistance to wear, among others. To reinforce this ceramic matrix, varying amounts of particulate TiN were dispersed, which added to the Al2O3 ceramic matrix an increase in mechanical strength, hardness and fracture toughness after the sintering process.

STATE OF TECHNICAL DESCRIPTION

[007] As ferramentas de corte para processos de usinagem com formação de “cavacos” tendem a ser produzidas de materiais duráveis como, por exemplo, metal duro, “cermet” (cerâmica/metal), PCD (policristalino de diamante), PCBN (nitreto cúbico de boro policristalino), entre outros; porém para prolongar ainda mais a vida útil dessas ferramentas de corte, normalmente utiliza-se camadas únicas ou sobrepostas de revestimentos de variados tipos de materiais como, por exemplo: TiC (carbeto de titânio), TiN (nitreto de titânio), Ti(C,N) (carbonitreto de titânio), Ti(C,N,O) (oxicarbonitreto de titânio), Al2O3 (óxido de alumínio), entre outros. Para aplicação desses revestimentos sobre um determinado substrato são normalmente utilizados processos como Deposição Química de Vapor (CVD - <<Chemical Vapour Deposition) e Deposição Física de Vapor (PVD - << Physical Vapor Deposition). Porém, a camada ou as camadas de revestimentos depositados por tais processos podem apresentar baixa durabilidade na superfície do substrato e normalmente pouca espessura do material depositado. Sendo assim, esse tipo de aplicação em ferramentas de corte para processos de usinagem, que trabalham com altos índices de abrasividade, impacto e temperatura entre ferramenta e peças, tendem a ser danificados com maior facilidade, tornando-os menos duráveis sobre a superfície de pastilhas/insertos de corte.[007] Cutting tools for machining processes with "chip" formation tend to be produced from durable materials such as, for example, hard metal, "cermet" (ceramic/metal), PCD (polycrystalline diamond), PCBN ( polycrystalline cubic boron nitride), among others; however, to further extend the useful life of these cutting tools, normally single or overlapping layers of coatings of various types of materials are used, for example: TiC (titanium carbide), TiN (titanium nitride), Ti(C ,N) (titanium carbonitride), Ti(C,N,O) (titanium oxycarbonitride), Al2O3 (aluminum oxide), among others. For the application of these coatings on a given substrate, processes such as Chemical Vapor Deposition (CVD - << Chemical Vapor Deposition) and Physical Vapor Deposition (PVD - << Physical Vapor Deposition) are normally used. However, the layer or layers of coatings deposited by such processes may have low durability on the surface of the substrate and usually low thickness of the deposited material. Therefore, this type of application in cutting tools for machining processes, which work with high levels of abrasion, impact and temperature between tool and parts, tend to be damaged more easily, making them less durable on the surface of inserts. /cutting inserts.

[008] Portanto, a presente invenção trás o desenvolvimento e produção de compósitos cerâmicos do sistema Al2O3-TiN, o qual traz a novidade da inserção de TiN (Nitreto de Titânio) particulado disperso diretamente na matriz cerâmica a base de alumina, objetivando a fabricação de ferramentas de corte com base cerâmica, as quais não necessitem de revestimentos superficiais adicionais para prolongar sua vida útil durante o seu emprego e aplicação em processos de usinagem. Esses compósitos também se tornam mais vantajosos pois reduzem as etapas para a fabricação de pastilhas/insertos cerâmicos.[008] Therefore, the present invention brings the development and production of ceramic composites of the Al2O3-TiN system, which brings the novelty of the insertion of TiN (Titanium Nitride) particulate dispersed directly in the ceramic matrix based on alumina, aiming at the manufacture of ceramic-based cutting tools, which do not require additional surface coatings to prolong their useful life during their use and application in machining processes. These composites also become more advantageous as they reduce the steps for manufacturing ceramic inserts/inserts.

[009] Uma gama de insertos cerâmicos e metálicos é de conhecimento do mercado produtivo, os quais apresentam composições variadas e diversas formas de fabricação, como o antecipado no documento BR 112015032930-6 B1 intitulado “Processo para Fabricação de Peças” – trata de um processo para fabricação rápida de peças de material metálico, intermetálico, cerâmico, de compósito com matriz cerâmica ou de compósito com matriz metálica com reforço descontínuo, reforço cerâmico ou intermetálico, por fusão ou sinterização de partículas de pó(s) por um feixe de alta energia, de modo que as partículas apresentem esfericidade entre 0,8 e 1,0 mm de diâmetro e aplicando-se à fabricação rápida de peças por Fusão Seletiva por Laser (SLM - <<Selective Laser Melting) ou por sinterização seletiva por laser (SLS - <<Selective Laser Sintering) ou ainda por projeção laser (DMD - <<Direct Metal Deposition) podem ser utilizadas conforme os pós e combinações realizadas[009] A range of ceramic and metallic inserts is known in the productive market, which have varied compositions and different forms of manufacture, as anticipated in document BR 112015032930-6 B1 entitled "Process for the Manufacture of Parts" - deals with a process for rapidly manufacturing parts of metallic, intermetallic, ceramic, ceramic matrix composite or metallic matrix composite with discontinuous reinforcement, ceramic or intermetallic reinforcement, by melting or sintering powder particles(s) by a high-energy beam energy, so that the particles present sphericity between 0.8 and 1.0 mm in diameter and applying to the rapid manufacture of parts by Selective Laser Melting (SLM - <<Selective Laser Melting) or by selective laser sintering ( SLS - <<Selective Laser Sintering) or even by laser projection (DMD - <<Direct Metal Deposition) can be used according to the powders and combinations performed

[010] O documento acima apresenta conceito inventivo voltado às variações e aplicações do “laser” aos processos de fabricação de peças de forma rápida em compósitos metálicos, cerâmicos, intermetálicos com reforços na matriz em várias composições, adequando o processo a cada distinta combinação. Percebe-se claramente que a sua principal contribuição se deve a possibilidade de processamento de variadas composições e não de uma composição específica. Outrossim, o processo de fabricação apresentado nesse documento apresenta grande diferença comparando-se com o processo de sinterização convencional requerido pela presente invenção, onde se trata de composições com elementos específicos e processamento produtivo não compatível com a utilização de “laser”.[010] The document above presents an inventive concept aimed at variations and applications of the "laser" to the processes of manufacturing parts quickly in metallic, ceramic, intermetallic composites with reinforcements in the matrix in various compositions, adapting the process to each different combination. It is clearly perceived that its main contribution is due to the possibility of processing different compositions and not a specific composition. Furthermore, the manufacturing process presented in this document presents a great difference compared to the conventional sintering process required by the present invention, where compositions with specific elements and productive processing are not compatible with the use of "laser".

[011] O documento BR 102014015836-7 A2 intitulado “Ferramenta de Corte Revestida” – trata de uma ferramenta de corte para usinagem revestida, ou seja, apresenta um tratamento superficial a um substrato, o qual foi citado no documento em questão uma pastilha/inserto podendo ser de “cermet” ou de “metal duro”, com aplicação de uma camada de revestimento de Ti (C,N) e uma camada de α – Al2O3, pelo processo de Deposição Química de Vapor (CVD - <<Chemical Vapour Deposition) um processo aplicado na indústria a mais de 30 anos. As camadas de revestimento citadas nesse estudo correspondem a espessura de 1 μm – 2 μm de Ti (C,N) e uma camada de revestimento de α – Al2O3 com aproximadamente 5 μm de espessura.[011] Document BR 102014015836-7 A2 entitled "Coated Cutting Tool" - deals with a cutting tool for coated machining, that is, it presents a surface treatment to a substrate, which was mentioned in the document in question an insert/ The insert can be made of “cermet” or “hard metal”, with the application of a coating layer of Ti (C,N) and a layer of α – Al2O3, by the process of Chemical Vapor Deposition (CVD - <<Chemical Vapor Deposition) a process applied in the industry for more than 30 years. The coating layers cited in this study correspond to a thickness of 1 μm – 2 μm of Ti (C,N) and a coating layer of α – Al2O3 approximately 5 μm thick.

[012] A ferramenta de corte acima soluciona o problema de dureza e resistência superficial da ferramenta de corte com a utilização de revestimentos compostos por Ti (C,N) e α – Al2O3 pela aplicação do processamento CVD, contempla-se uma fina camada de revestimento de 0,4 μm de espessura de TiN – Nitreto de Titânio e uma camada externa também de TiN com espessura de 1 μm, todas aplicadas pelo processo de CVD. Isso difere totalmente da presente invenção apresenta, pois se trata de revestimentos e não de uma matriz cerâmica com particulados inseridos como reforço.[012] The cutting tool above solves the problem of hardness and surface resistance of the cutting tool with the use of coatings composed of Ti (C,N) and α - Al2O3 by applying CVD processing, a thin layer of coating of 0.4 μm thick of TiN – Titanium Nitride and an external layer also of TiN with a thickness of 1 μm, all applied by the CVD process. This totally differs from the present invention, as it deals with coatings and not a ceramic matrix with particulates inserted as reinforcement.

[013] O documento BR112014014484B1 intitulado “Ferramenta de Corte Revestida e Método para Produzir a mesma” – trata de uma ferramenta de corte também revestida, a qual utiliza um substrato de metal duro e revestimentos com predominância à base de Ti (Titânio). Esse acréscimo de um a um. A gama de revestimentos citados no documento são TiC (Carbeto de Titânio), TiN (Nitrto de Titânio), Ti (C, N) (Carbonitreto de Titânio), Ti (C, O) (Oxicarbeto de Titânio), Ti (C, N, O) (Oxicarbonitreto de Titânio) e uma camada final em cada pastilha/inserto de Al2O3. Todos os revestimentos são inseridos utilizando o processo de fabricação por Deposição Química de Vapor (CVD - <<Chemical Vapour Deposition).[013] Document BR112014014484B1 entitled “Coated Cutting Tool and Method for Producing the same” – deals with a cutting tool also coated, which uses a carbide substrate and coatings predominantly based on Ti (Titanium). This addition of one by one. The range of coatings mentioned in the document are TiC (Titanium Carbide), TiN (Titanium Nitride), Ti (C, N) (Titanium Carbonitride), Ti (C, O) (Titanium Oxycarbide), Ti (C, N, O) (Titanium Oxycarbonitride) and a final layer on each Al2O3 wafer/insert. All coatings are inserted using the Chemical Vapor Deposition (CVD) manufacturing process.

[014] Apesar de a invenção utilizar Al2O3, pode-se perceber que o tanto o TiN quanto a Al2O3 são utilizados como revestimentos e não inseridos em uma matriz cerâmica, ou seja, utiliza-se um substrato comercial para a aplicação dos elementos de forma a servirem de revestimento e não de particulado em uma matriz com base cerâmica. Outrossim, é a utilização do processo de fabricação Deposição Química de Vapor (CVD - <<Chemical Vapour Deposition) para os revestimentos em questão, como também citado na anterioridade acima referente ao documento BR 102014015836-7 A2, o qual se difere totalmente de um processo de sinterização convencional.[014] Although the invention uses Al2O3, it can be seen that both TiN and Al2O3 are used as coatings and not inserted into a ceramic matrix, that is, a commercial substrate is used for the application of shape elements to serve as a coating and not as a particulate in a ceramic-based matrix. Furthermore, it is the use of the manufacturing process Chemical Vapor Deposition (CVD - <<Chemical Vapor Deposition) for the coatings in question, as also mentioned above referring to document BR 102014015836-7 A2, which is totally different from a conventional sintering process.

[015] O documento BRPI0809167A2 intitulado “Inserto de corte revestido, e, método para formar um revestimento cerâmico de camadas múltiplas depositadas por CVD (Deposição Química de Vapor) sobre um inserto de corte” – trata de uma ferramenta de corte com múltiplos revestimentos cerâmicos os quais são aplicados pela técnica de processamento Deposição Química de Vapor (CVD - <<Chemical Vapour Deposition). O documento mostra uma sequência de revestimento sobrepostos citado como uma camada interna de TiN (Nitreto de Titânio) com espessura aproximadamente de 0,6 μm, seguida por uma espessa camada de Ti (C,N) MT (Carbonitreto de Titânio) com aproximadamente 6 μm de espessura, a terceira camada de TiN (Nitreto e Titânio) com espessura de 0,15 μm, a quarta camada de TiC (Carbeto de Titânio) com espessura de 0,3 μm, a quinta camada de Ti (O, C,N) (Oxicarbonitreto de Titânio) com espessura de 0,1 μm e a sexta camada de Al2O3 com uma espessura aproximada de 3 μm e finalizando o revestimento com uma camada externa de TiN com espessura de aproximadamente 0,8 μm. Além disso, no documento fica claro que algumas combinações podem ser substituídas.[015] Document BRPI0809167A2 entitled “Coated cutting insert, and method for forming a multilayer ceramic coating deposited by CVD (Chemical Vapor Deposition) on a cutting insert” – deals with a cutting tool with multiple ceramic coatings which are applied by the Chemical Vapor Deposition (CVD) processing technique. The document shows a superimposed coating sequence cited as an inner layer of TiN (Titanium Nitride) approximately 0.6 μm thick, followed by a thick layer of Ti (C,N) MT (Titanium Carbonitride) approximately 6 μm thick, the third layer of TiN (Titanium Nitride) with a thickness of 0.15 μm, the fourth layer of TiC (Titanium Carbide) with a thickness of 0.3 μm, the fifth layer of Ti (O, C, N) (Titanium Oxycarbonitride) with a thickness of 0.1 μm and the sixth layer of Al2O3 with an approximate thickness of 3 μm and finishing the coating with an external layer of TiN with a thickness of approximately 0.8 μm. In addition, in the document it is clear that some combinations can be replaced.

[016] O documento de anterioridade acima reúne uma gama de revestimentos de óxidos, carbetos e nitretos, dentre eles se cita a utilização de TiN e Al2O3, os quais fazem parte do revestimento de uma pastilha/inserto utilizado em um substrato. Portanto, não são elementos particulados inseridos em matriz de base cerâmica, o que se difere da invenção reivindicada. Outrossim, se refere à diferenciação no processo de fabricação no qual o documento de anterioridade trata de um processo de revestimento e não de sinterização.[016] The above document brings together a range of coatings of oxides, carbides and nitrides, among them the use of TiN and Al2O3, which are part of the coating of a tablet/insert used in a substrate. Therefore, they are not particulate elements inserted into a ceramic-based matrix, which differs from the claimed invention. Furthermore, it refers to the differentiation in the manufacturing process in which the prior art document deals with a coating process and not a sintering process.

[017] O documento BR112012022667A2 intitulado “Inserto de corte de cerâmica revestido e método para fabricar o mesmo” – trata-se de uma ferramenta de corte com substrato cerâmico especificado como “cermet” comercial, o qual foi depositado em sua superfície revestimentos de Al2O3 e posteriormente uma camada de TiN por um processo de jateamento para fixação do revestimento[017] Document BR112012022667A2 entitled “Coated ceramic cutting insert and method for manufacturing the same” – it is a cutting tool with a ceramic substrate specified as commercial “cermet”, which was deposited on its surface Al2O3 coatings and subsequently a layer of TiN through a blasting process to fix the coating

[018] O documento mostra a utilização dos elementos Al2O3 e TiN como revestimento e não inseridos na matriz de base cerâmica e com diferente processo de fabricação para produção do revestimento na pastilha/inserto cerâmico já existente.[018] The document shows the use of elements Al2O3 and TiN as a coating and not inserted in the ceramic base matrix and with a different manufacturing process for producing the coating on the existing ceramic tablet/insert.

[019] O documento BRPI0511149B1 intitulado “Ferramenta de corte, suplemento de corte e método para revestir uma ferramenta de corte e um suplemento de corte” – trata-se de uma ferramenta de corte e um suplemento de corte tendo substrato cerâmico de Al2O3 e ZrO2 zircônio com uma camada de revestimento dentre uma gama que se apresenta por TiN (Nitreto de Titânio), Ti (C,N) (Carbonitreto de Titânio), TiAlN (Nitreto de Aluminio e Titânio), TiAlN+C (Nitreto de Alumínio e Titânio mais Carbono), AlTiN (Nitreto de Titânio e Alumínio), AlTiN+C (Nitreto de Titânio e Alumínio mais Carbono), TiAlN+WC/C (nitreto de alumínio e titânio mais carboneto de tungstênio/ carbono), AlTiN+WC/C (Nitreto de Titânio e Alumínio mais Carbeto de Tungstênio/Carbono), Al2O3 (Óxido de Alumínio), TiB2 (Dioreto de Titânio), WC/C (Carbeto de Tungstênio/Carbono) e AlCrN nitreto de cromo e alumínio. O documento apresenta condições de diferentes combinações e sequência de revestimento com aplicação de uma ou mais camadas com a utilização do processo Deposição Química de Vapor (CVD - <<Chemical Vapour Deposition) com variação de espessura de camadas dos revestimentos e entre revestimentos.[019] Document BRPI0511149B1 entitled “Cutting tool, cutting insert and method for coating a cutting tool and a cutting insert” – it is a cutting tool and a cutting insert having a ceramic substrate of Al2O3 and ZrO2 zirconium with a coating layer among a range that is presented by TiN (Titanium Nitride), Ti (C,N) (Titanium Carbonitride), TiAlN (Aluminum and Titanium Nitride), TiAlN+C (Aluminum and Titanium Nitride plus Carbon), AlTiN (Titanium Aluminum Nitride), AlTiN+C (Titanium Aluminum Nitride plus Carbon), TiAlN+WC/C (titanium aluminum nitride plus tungsten carbide/carbon), AlTiN+WC/C (Titanium Aluminum Nitride plus Tungsten Carbide/Carbon), Al2O3 (Aluminum Oxide), TiB2 (Titanium Dioride), WC/C (Tungsten Carbide/Carbon) and AlCrN Aluminum Chromium Nitride. The document presents conditions of different combinations and coating sequence with application of one or more layers using the Chemical Vapor Deposition process (CVD - <<Chemical Vapor Deposition) with variation in thickness of layers of coatings and between coatings.

[020] Como citado no documento anterior, este mostra a utilização dos elementos Al2O3 e TiN como revestimento, mas também não inseridos na matriz de base cerâmica e com diferente processo de fabricação para produção do revestimento na pastilha/inserto cerâmico já existente comercialmente.[020] As mentioned in the previous document, this shows the use of Al2O3 and TiN elements as a coating, but also not inserted in the ceramic base matrix and with a different manufacturing process for producing the coating on the existing commercially existing ceramic tablet/insert.

[021] O documento BR102012021543A2 intitulado “Inserto de corte com um revestimento de oxicarbonitreto de titânio e método para produzir o mesmo” – trata-se de uma ferramenta de corte revestida, composta de uma substrato de PcBN (Nitreto de Boro Cúbico Policristalino) e revestimento de Ti (C, N,O) (Oxicarbonitreto de Titânio) utilizando o processo Deposição Química de Vapor (CVD - <<Chemical Vapour Deposition) com variação de espessura de camada do revestimento e ainda depositando uma camada externa de TiN (Nitreto de Titânio) ou TiCN (Carbonitreto de Titânio) ou Al2O3 (Óxido de Alumínio) para finalização do revestimento.[021] Document BR102012021543A2 entitled "Cutting insert with a titanium oxycarbonitride coating and method for producing the same" - it is a coated cutting tool, composed of a substrate of PcBN (Polycrystalline Cubic Boron Nitride) and Ti (C, N, O) (Titanium Oxycarbonitride) coating using the Chemical Vapor Deposition process (CVD - <<Chemical Vapor Deposition) with variation in the coating layer thickness and also depositing an external layer of TiN (Titanium Nitride) Titanium) or TiCN (Titanium Carbonitride) or Al2O3 (Aluminum Oxide) to finish the coating.

[022] O documento anterior também mostra a utilização dos elementos Al2O3 e TiN como revestimento e não inseridos na matriz de base cerâmica e com diferente processo de fabricação para produção do revestimento na pastilha/inserto cerâmico já existente.[022] The previous document also shows the use of Al2O3 and TiN elements as a coating and not inserted in the ceramic base matrix and with a different manufacturing process for producing the coating on the existing ceramic tablet/insert.

[023] O documento BRPI0612724A2 intitulado “Inserto e ferramenta de corte e método de usinagem de uma peça de trabalho” – trata-se de uma ferramenta de corte, onde o presente documento ressalta formas distintas de execução de trabalho da pastilha/ inserto de corte com projeto de virolas ásperas tanto para desgaste quanto para acabamento.[023] Document BRPI0612724A2 entitled "Insert and cutting tool and method of machining a workpiece" - it is a cutting tool, where this document highlights different ways of performing work on the insert/cutting insert with roughened ferrule design for both wear and finish.

[024] O documento anterior mostra uma forma distinta de trabalho de pastilhas/insertos de corte durante a execução de um trabalho de usinagem em um processo de fresamento e não se refere à composição de elementos dos insertos de corte.[024] The previous document shows a different way of working inserts/cutting inserts during the execution of a machining job in a milling process and does not refer to the composition of elements of cutting inserts.

[025] O documento KR101178978B12 intitulado “Al2O3 ceramic tools with diffusion bonding enhanced layer” – trata-se de uma ferramenta de corte com substrato de Al2O3 e ZrO2 com revestimento que compreende nitreto de titânio (TiN), carbonitreto de titânio (TiCN), nitreto de alumínio e titânio (TiAlN), nitreto de alumínio e titânio mais carbono (TiAlN + C), nitreto de alumínio e titânio (AlTiN), nitreto de alumínio e titânio mais Carbono (AlTiN + C), Nitreto de Alumínio e Titânio mais Carbeto de Tungstênio / Carbono (TiAlN + WC / C), Nitreto de Alumínio e Titânio mais Carbeto de Tungstênio/carbono (AlTiN + WC / C), Óxido de Alumínio (Al2O3), boreto e titânio (TiB2), carboneto de tungstênio/carbono (WC / C), nitreto de cromo (CrN) e nitreto de alumínio e cromo (AlCrN) utilizando-se o processo Deposição Química de Vapor (CVD - <<Chemical Vapour Deposition) para a primeira camada de revestimento e o processo Deposição Física de Vapor (PVD - << Physical Vapor Deposition) para a segunda camada de revestimento em diversas combinações.[025] Document KR101178978B12 entitled “Al2O3 ceramic tools with diffusion bonding enhanced layer” – this is a cutting tool with a substrate of Al2O3 and ZrO2 with a coating comprising titanium nitride (TiN), titanium carbonitride (TiCN), titanium aluminum nitride (TiAlN), titanium aluminum nitride plus carbon (TiAlN + C), titanium aluminum nitride (AlTiN), titanium aluminum nitride plus carbon (AlTiN + C), titanium aluminum nitride plus Tungsten Carbide / Carbon (TiAlN + WC / C), Aluminum Titanium Nitride plus Tungsten Carbide / Carbon (AlTiN + WC / C), Aluminum Oxide (Al2O3), Titanium Boride (TiB2), Tungsten Carbide / carbon (WC / C), chromium nitride (CrN) and aluminum chromium nitride (AlCrN) using the Chemical Vapor Deposition (CVD) process for the first coating layer and the Chemical Vapor Deposition process Physical Vapor (PVD - << Physical Vapor Deposition) for the second coating layer in different combinations.

[026] O documento também mostra a utilização dos elementos Al2O3 e TiN como revestimento e não inseridos na matriz de base cerâmica e com diferente processo de fabricação para produção do revestimento na pastilha/inserto cerâmico já existente com o acréscimo somente do processamento Deposição Física de Vapor (PVD - << Physical Vapor Deposition) que se difere totalmente de um processo de sinterização convencional.[026] The document also shows the use of Al2O3 and TiN elements as a coating and not inserted in the ceramic base matrix and with a different manufacturing process for producing the coating on the existing ceramic tablet/insert with the addition of only the Physical Deposition of Vapor (PVD - << Physical Vapor Deposition) which is totally different from a conventional sintering process.

[027] O documento US20080131219A1 intitulado “Coated cutting too” – trata-se de uma ferramenta de corte revestida que compreende um substrato de carboneto cimentado, cermet, cerâmica, nitreto de boro cúbico ou aço rápido em que pelo menos nas partes funcionais da superfície da mesma um revestimento fino, aderente, duro e resistente ao desgaste é aplicado, em que o referido revestimento compreende uma multicamada laminada de camadas alternadas de óxido de metal pelo processamento Deposição Física de Vapor (PVD - << Physical Vapor Deposition) ou Deposição Química de Vapor Intensificado por Plasma (PECVD - << Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), onde os átomos de metal são um ou mais de Ti, Nb, V, Mo, Zr, Cr, Al, Hf, Ta, Y e Si, e onde pelo menos um é um óxido de metal + metal camada de nano-compósito de óxido composta por dois componentes, componente A e componente B, com composição e estrutura diferentes cujos componentes compreendem um óxido monofásico de um elemento metálico ou uma solução sólida de dois ou mais óxidos metálicos, em que as camadas são diferentes em composição ou estrutura ou ambas as propriedades e têm espessuras de camada individuais maiores do que 0,4 nm, mas menores do que cerca de 50 nm e onde a referida camada de multicamadas laminada tem uma espessura total entre 0,2 e cerca de 20 μm.[027] Document US20080131219A1 entitled "Coated cutting too" - this is a coated cutting tool comprising a substrate of cemented carbide, cermet, ceramic, cubic boron nitride or high-speed steel in which at least the functional parts of the surface therefrom a thin, adherent, hard and wear-resistant coating is applied, said coating comprising a laminated multilayer of alternating layers of metal oxide by Physical Vapor Deposition (PVD) or Chemical Deposition processing. Plasma Enhanced Vapor Deposition (PECVD - << Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), where the metal atoms are one or more of Ti, Nb, V, Mo, Zr, Cr, Al, Hf, Ta, Y and Si, and where at least one is a metal oxide + metal oxide nano-composite layer composed of two components, component A and component B, with different composition and structure whose components comprise a monophasic oxide of a metallic element or a solid solution of two or more metal oxides, wherein the layers are different in composition or structure or both properties and have individual layer thicknesses greater than 0.4 nm but less than about 50 nm and where said laminated multilayer layer has a total thickness of between 0.2 and about 20 µm.

[028] O documento de anterioridade acima reúne uma gama de revestimentos de óxidos metálicos e não metálicos, porém não cita a utilização de TiN (Nitreto de Titânio) e Al2O3 (Óxido de Alumínio) como particulado, os quais só fazem parte do revestimento de uma pastilha/inserto utilizado como substrato. Outrossim, se refere à diferenciação no processo de fabricação onde o documento de anterioridade se trata de um processo de revestimento onde fala de Deposição Física de Vapor (PVD - << Physical Vapor Deposition) ou Deposição Química de Vapor Intensificado por Plasma (PECVD - << Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) e não o processo de sinterização.[028] The above document brings together a range of metallic and non-metallic oxide coatings, but does not mention the use of TiN (Titanium Nitride) and Al2O3 (Aluminum Oxide) as particulate matter, which are only part of the coating of a wafer/insert used as a substrate. Furthermore, it refers to the differentiation in the manufacturing process where the prior document deals with a coating process where it speaks of Physical Vapor Deposition (PVD - << Physical Vapor Deposition) or Chemical Vapor Deposition Intensified by Plasma (PECVD - < < Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) and not the sintering process.

[029] O documento RU2392350C2 intitulado “Ceramic Al2O3 tools with layer reinforced by diffusion bonding” – trata-se de uma ferramenta de corte revestida, onde o substrato contempla óxido de alumínio e óxido de zircônio com camadas de revestimento pelo processo de Deposição Química de Vapor (CVD - <<Chemical Vapour Deposition) cita-se uma gama de possibilidade de revestimento entre eles o TiN (Nitreto de Titânio) entre outros.[029] Document RU2392350C2 entitled “Ceramic Al2O3 tools with layer reinforced by diffusion bonding” – it is a coated cutting tool, where the substrate includes aluminum oxide and zirconium oxide with layers of coating by the process of Chemical Deposition of Vapor (CVD - <<Chemical Vapor Deposition) mentions a range of coating possibilities including TiN (Titanium Nitride) among others.

[030] O documento de anterioridade acima reúne uma gama de revestimentos entre eles o TiN, porém são pelos apresentados pelo processo de CVD, o qual difere de material particulado e difere também no processamento.[030] The above document brings together a range of coatings, including TiN, but they are those presented by the CVD process, which differs from particulate matter and also differs in processing.

[031] Diante do exposto, a presente invenção mostra as vantagens da novidade ao se inserir TiN (Nitreto de Titânio) diretamente disperso na matriz cerâmica a base de Al2O3 (Óxido de Alumínio) sob os seguintes aspectos, propõe um processo produtivo simplificado e eficaz dos compósitos cerâmicos, resultando em uma mistura seca e homogênea dos pós cerâmicos envolvidos na produção das composições do sistema Al2O3-TiN, apresenta facilidade no processamento de conformação das composições em diversas formas e geometrias com espessuras variadas, processo de sinterização convencional de forma simplificada com utilização de grafite em pó como fase de sacrifício, preservando assim a integridade do TiN particulado disperso na matriz cerâmica Al2O3, fabricação como aplicação em ferramentas de corte somente com a utilização das composições do sistema Al2O3-TiN sem a necessidade posterior de revestimentos superficiais para aumentar a vida útil da ferramenta.[031] In view of the above, the present invention shows the advantages of the novelty by inserting TiN (Titanium Nitride) directly dispersed in the ceramic matrix based on Al2O3 (Aluminum Oxide) under the following aspects, proposes a simplified and effective production process of ceramic composites, resulting in a dry and homogeneous mixture of the ceramic powders involved in the production of the compositions of the Al2O3-TiN system, it presents ease in the processing of conformation of the compositions in different shapes and geometries with varied thicknesses, conventional sintering process in a simplified way with use of powdered graphite as a sacrificial phase, thus preserving the integrity of the particulate TiN dispersed in the Al2O3 ceramic matrix, manufacturing as an application in cutting tools only using the compositions of the Al2O3-TiN system without the subsequent need for surface coatings to increase tool life.

OBJECTIVES OF THE INVENTION

[032] É objetivo da presente invenção a produção simplificada de compósitos cerâmicos de matriz à base de Al2O3 (Óxido de Alumínio) com reforço particulado de TiN (Nitreto de Titânio), no qual o TiN, elemento de reforço da matriz de Al2O3, o qual se apresenta em quantidades variadas na composição e produção dos compósitos cerâmicos.[032] The objective of the present invention is the simplified production of matrix ceramic composites based on Al2O3 (Aluminum Oxide) with particulate reinforcement of TiN (Titanium Nitride), in which the TiN, reinforcement element of the Al2O3 matrix, the which is present in varying amounts in the composition and production of ceramic composites.

[033] É objetivo de os presentes compósitos cerâmicos a produção de pastilhas/insertos de corte com base cerâmica para utilização em processos de usinagem convencionais e CNC, tais como torneamento e fresamento, os quais geram produção de cavaco por diversos tipos de materiais de trabalho.[033] It is the objective of the present ceramic composites to produce ceramic-based cutting inserts/inserts for use in conventional and CNC machining processes, such as turning and milling, which generate chip production by various types of work materials .

[034] É objetivo dos presentes compósitos cerâmicos produzir ferramentas de corte com custo mais acessível, com facilidade na conformação de diferentes formas geométricas de pastilhas/insertos de corte, que apresentem também a facilidade no processo de sinterização, sendo que nessa presente invenção utiliza-se o processo de sinterização convencional com grafite em pó como fase de sacrifício, sem que haja a necessidade de fornos especiais, como por exemplo, forno com atmosfera controlada, sinterização por SPS – Sinterização por Plasma (<< Spark Plasma Sintering) ou outro processo específico para sinterização de compósitos cerâmicos.[034] It is the objective of the present ceramic composites to produce cutting tools with a more accessible cost, with ease in the conformation of different geometric shapes of cutting inserts/inserts, which also present the ease in the sintering process, and in this present invention we use if the conventional sintering process with powdered graphite as the sacrificial phase, without the need for special furnaces, such as a controlled atmosphere furnace, SPS sintering – Plasma Sintering (<< Spark Plasma Sintering) or another process specific for sintering ceramic composites.

[035] É objetivo dos presentes compósitos cerâmicos produzirem ferramentas de corte cerâmicas com maior vida útil reduzindo a abrasividade entre ferramenta de corte e peça, redução da criação de gume postiço sob a ferramenta de corte e aumentar a tenacidade à fratura da ferramenta de corte.[035] It is the objective of the present ceramic composites to produce ceramic cutting tools with longer service life by reducing the abrasiveness between the cutting tool and the workpiece, reducing the creation of a false edge under the cutting tool and increasing the fracture toughness of the cutting tool.

[036] É objetivo dos presentes compósitos cerâmicos do sistema Al2O3-TiN, oferecer uma ferramenta de corte cerâmica de ótima relação custo x benefício.[036] It is the objective of the present ceramic composites of the Al2O3-TiN system, to offer a ceramic cutting tool with an excellent cost-benefit ratio.

GENERAL DESCRIPTION OF THE INVENTION

[037] A presente invenção refere-se à produção de compósitos cerâmicos do sistema Al2O3-TiN, onde a matriz cerâmica é de Al2O3 (Óxido de Alumínio) com adições de inclusões particuladas de TiN (Nitreto de Titânio). Esses compósitos serão aplicados na fabricação de ferramentas de corte com base cerâmica, mais especificadamente na produção de pastilhas/insertos de corte cerâmicos (Figura 1). As pastilhas/insertos são utilizadas em processos de fabricação por usinagem, que constituem de remoção de “cavaco” de diversos tipos de materiais de trabalho, como por exemplo, aço carbono, ferro fundido, aço inox, entre outros, conforme a reivindicação 4 e 5.[037] The present invention refers to the production of ceramic composites of the Al2O3-TiN system, where the ceramic matrix is Al2O3 (Aluminum Oxide) with additions of particulate inclusions of TiN (Titanium Nitride). These composites will be applied in the manufacture of ceramic-based cutting tools, more specifically in the production of ceramic cutting inserts/inserts (Figure 1). The inserts/inserts are used in manufacturing processes by machining, which constitute the removal of "chips" from various types of work materials, such as carbon steel, cast iron, stainless steel, among others, according to claim 4 and 5.

[038] As quantidades de inclusões de TiN adicionadas na matriz de Al2O3 foram de 1%, 3% e 5% em volume de TiN, conforme a reivindicação 1 e 2. Tais quantidade de inclusões foram baseadas em pesquisas anteriores usando outros tipos de inclusões em matriz cerâmica de Al2O3 como ZrO2, NbC, TiC, TiB2, entre outros (SALEM, 2017; ACCHAR, et al, 2012).[038] The amounts of TiN inclusions added to the Al2O3 matrix were 1%, 3% and 5% by volume of TiN, according to claim 1 and 2. Such amounts of inclusions were based on previous research using other types of inclusions in Al2O3 ceramic matrix as ZrO2, NbC, TiC, TiB2, among others (SALEM, 2017; ACCHAR, et al, 2012).

[039] Para produção dos compósitos cerâmicos, especificado nessa presente invenção, foi utilizado como matéria prima para a matriz cerâmica, pó de Al2O3 com pureza de 99,8% e D50 de 0,5 μm e pó de TiN, utilizado como reforço particulado na matriz cerâmica, com pureza de 99,5% e densidade de 5,40 g/cm3 , ambos conforme as especificações apresentadas pelos seus respectivos fabricantes.[039] For the production of ceramic composites, specified in this present invention, Al2O3 powder with a purity of 99.8% and D50 of 0.5 μm and TiN powder was used as raw material for the ceramic matrix, used as particulate reinforcement in the ceramic matrix, with a purity of 99.5% and a density of 5.40 g/cm3, both according to the specifications presented by their respective manufacturers.

[040] O processo de mistura dos pós foi feito em moinho de bolas, em meio alcoólico. Após, os pós foram secados e conformados por prensagem uniaxial, como mostra a Figura 3, resultando em peças “à verde”. Para o processo de prensagem, foram utilizados moldes em aço ferramenta, fabricando pastilhas/insertos redondos de diâmetro 8 mm e 13 mm. As peças são sinterizadas convencionalmente e caracterizadas. Outro molde em aço para fabricação de pastilhas/insertos com geometria quadrada de dimensões 16 x 16 mm de aresta e espessura de 5,5 mm também foram produzidos.[040] The process of mixing the powders was done in a ball mill, in an alcoholic medium. Afterwards, the powders were dried and shaped by uniaxial pressing, as shown in Figure 3, resulting in “green” pieces. For the pressing process, tool steel molds were used, manufacturing round inserts/inserts with diameters of 8 mm and 13 mm. The parts are conventionally sintered and characterized. Another steel mold for the manufacture of inserts/inserts with a square geometry of dimensions 16 x 16 mm on an edge and a thickness of 5.5 mm was also produced.

[041] Nessa presente invenção, utilizou-se o processo de sinterização convencional nas temperaturas de 1500ºC, 1550ºC e 1600ºC, notando-se a empregabilidade diferenciada do grafite em pó com fase de sacrifício durante o processo como mostra a Figura 2. As pastilhas/insertos resultantes do processo de conformação por pressão uniaxial foram envoltas no grafite em pó em um cadinho de alumina durante todo o processo de sinterização, conforme a reivindicação 3.[041] In this present invention, the conventional sintering process was used at temperatures of 1500ºC, 1550ºC and 1600ºC, noting the differentiated employability of powdered graphite with sacrifice phase during the process, as shown in Figure 2. Inserts resulting from the uniaxial pressure forming process were wrapped in powdered graphite in an alumina crucible throughout the sintering process, according to claim 3.

[042] O presente invento é interessante e versátil, pois permite a obtenção de compósitos cerâmicos homogêneos a partir de uma matriz cerâmica a base de Al2O3 e de diferentes quantidades de material particulado de TiN utilizado como reforço. Os compósitos apresentam propriedades diferenciadas em relação ao material da matriz empregado individualmente. Os compósitos cerâmicos, após o processo de sinterização, apresentaram melhoramento em suas propriedades mecânicas como aumento na dureza, tenacidade à fratura, resistência ao desgaste, redução do coeficiente de atrito, entre outras. Essas características permitem que o material produzido pela presente invenção seja utilizado para a produção de ferramentas de corte para processos de usinagem, podendo ser empregados na indústria automobilística, aeronáutica, metalmecânica e outros setores da engenharia, conforme a reivindicação 4 e 5.[042] The present invention is interesting and versatile, as it allows obtaining homogeneous ceramic composites from a ceramic matrix based on Al2O3 and different amounts of TiN particulate material used as reinforcement. Composites have different properties in relation to the matrix material used individually. Ceramic composites, after the sintering process, showed improvement in their mechanical properties such as increase in hardness, fracture toughness, wear resistance, reduction of the coefficient of friction, among others. These characteristics allow the material produced by the present invention to be used for the production of cutting tools for machining processes, which can be used in the automotive, aeronautical, metalworking and other engineering sectors, according to claim 4 and 5.

DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[043] A invenção descrita, para melhor entendimento, segue referências feitas aos desenhos anexos, nos quais estão representadas: FIGURA 1: Vista em perspectiva das ferramentas de corte, mais especificamente as pastilhas/insertos de corte cerâmicas; FIGURA 2: Vista frontal da forma de montagem do cadinho de alumina para processo de sinterização com grafite em pó como fase de sacrifício; FIGURA 3: Vista frontal em corte das etapas de conformação por prensagem uniaxial do compósito cerâmico no molde;[043] The invention described, for a better understanding, follows references made to the attached drawings, in which they are represented: FIGURE 1: Perspective view of the cutting tools, more specifically the ceramic cutting inserts/inserts; FIGURE 2: Front view of the assembly form of the alumina crucible for the sintering process with powdered graphite as the sacrifice phase; FIGURE 3: Front sectional view of the conformation stages by uniaxial pressing of the ceramic composite in the mold;

DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

[044] O “COMPÓSITO DE MATRIZ CERÂMICA DE ALUMINA (Al2O3) COM REFORÇO DE NITRETO DE TITÂNIO (TiN) PARTICULADO, PROCESSADO POR SINTERIZAÇÃO CONVENCIONAL UTILIZANDO GRAFITE EM PÓ COMO FASE DE SACRIFÍCIO, PARA PRODUÇÃO DE FERRAMENTA DE CORTE EM PROCESSOS DE USINAGEM.” objeto desta solicitação de patente de invenção compreende a produção de compósitos cerâmicos do sistema Al2O3-TiN, apresentado na reivindicação 1, para aplicação em ferramentas de corte, mais especificadamente na produção de pastilhas/insertos de corte cerâmicos, apresentados pelas reivindicações 4 e 5. O elemento descrito como Al2O3 se trata do Óxido de Alumínio e o elemento descrito como TiN se trata do Nitreto de Titânio. Os compósitos cerâmicos produzidos do sistema Al2O3-TiN possuem matriz cerâmica de base Al2O3 e reforço particulado de TiN, tendo diferentes proporções de TiN dispersos na matriz cerâmica de Al2O3, resultando, a princípio composições como: a) Matriz cerâmica de Al2O3 com 1% de inclusões TiN em volume; b) Matriz cerâmica de Al2O3 com 3% de inclusões TiN em volume; c) Matriz cerâmica de Al2O3 com 5% de inclusões TiN em volume.[044] THE "COMPOSITE OF CERAMIC MATRIX OF ALUMINA (Al2O3) WITH PARTICULATE TITANIUM NITRIDE (TiN) REINFORCEMENT, PROCESSED BY CONVENTIONAL SINTERIZATION USING POWDER GRAPHITE AS A SACRIFICE PHASE, FOR THE PRODUCTION OF CUTTING TOOLS IN MACHINING PROCESSES." The object of this patent application comprises the production of ceramic composites of the Al2O3-TiN system, presented in claim 1, for application in cutting tools, more specifically in the production of ceramic cutting inserts/inserts, presented by claims 4 and 5. The element described as Al2O3 is Aluminum Oxide and the element described as TiN is Titanium Nitride. The ceramic composites produced from the Al2O3-TiN system have a ceramic matrix based on Al2O3 and particulate reinforcement of TiN, with different proportions of TiN dispersed in the ceramic matrix of Al2O3, resulting, in principle, compositions such as: a) Ceramic matrix of Al2O3 with 1% of TiN inclusions by volume; b) Al2O3 ceramic matrix with 3% TiN inclusions by volume; c) Al2O3 ceramic matrix with 5% TiN inclusions by volume.

[046] Sendo assim, para a invenção presente, o processo de produção dos compósitos cerâmicos do sistema Al2O3-TiN dá-se a partir das seguintes etapas: a) Inicialmente os pós-cerâmicos do sistema Al2O3-TiN são misturados em moinho de bolas, com bolas de ZrO2 (Óxido de Zircônio) com diâmetro de 5 milímetros, em meio alcoólico utilizado álcool isopropílico, por 24 horas, com adição de 1% em peso de defloculante (PVB - Polivinil Butiral); b) Após o processo de mistura, retira-se do moinho de bolas, passando por um processo de secagem com fluxo de ar quente, visando à eliminação de todo álcool. Durante o processo de secagem, o frasco deve sofrer agitações intermitentes para obter um pó solto sem grandes aglomerados. c) Na sequência, com a utilização de um almofariz de ágata a mistura seca deve ser desaglomerada, a fim de todo pó da composição passar por uma peneira de “nylon” de malha 80 mesh. O produto resultante desse processo é um pó seco e homogêneo do sistema Al2O3-1%, 3% e 5% vol. TiN; d) Após desaglomerados, os compósitos cerâmicos são conformados por prensagem uniaxial em moldes de aço cilíndricos com diâmetros 8 mm e 13 mm, usando uma pressão de 150 MPa por 30 segundos, em uma prensa hidráulica manual de 15 Ton. e) Com mesmo processo de conformação por prensagem uniaxial com pressão correspondente a 150 MPa por 30 segundos, são conformados corpos de prova com geometria quadrada, contendo dimensões a verde de 16 mm x 16 mm e espessura de 5,5 mm; f) Após a conformação os compósitos cerâmicos seguem para o processo de sinterização convencional com a utilização de grafite em pó como fase de sacrifício, como apresentado na reivindicação 3, a qual tem a função de preservar o material particulado de reforço no caso o TiN inserido na matriz de Al2O3, evitando o processo de oxidação do TiN; g) Como mostra a Figura 2, coloca-se o grafite em pó dentro de um cadinho de alumina e insere o corpo de prova conformado dos compósitos cerâmicos do sistema Al2O3-TiN, o qual deve ficar submergido no grafite em pó contido no cadinho de alumina e se finaliza o cobrimento do grafite em pó com Al2O3 para levá-lo ao forno de sinterização; h) O processo de sinterização é realizado nas temperaturas de 1500º C, 1550º C e 1600º C com patamar de 2 horas, usando uma taxa de aquecimento de 10º C/min e resfriamento no forno; i) Após a finalização do processo de sinterização, todas as peças são retificadas, e as peças cilíndricas são utilizadas para as caracterizações e análises de densidade aparente, difração de raios-X (DRX), microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia de raios-X por energia dispersiva (EDS), propriedades mecânicas como dureza Vickers, tenacidade à fratura por indentação e análise de desgaste em tribômetro pino disco. j) Já as peças com forma geométricas quadradas, como citados acima, também são retificadas, para realização de teste de usinabilidade em diversos materiais como aço carbono, aço inoxidável, alumínio, entre outros.[046] Therefore, for the present invention, the production process of ceramic composites of the Al2O3-TiN system takes place from the following steps: a) Initially, the post-ceramics of the Al2O3-TiN system are mixed in a ball mill , with ZrO2 (Zirconium Oxide) balls with a diameter of 5 millimeters, in an alcoholic medium using isopropyl alcohol, for 24 hours, with the addition of 1% by weight of deflocculant (PVB - Polyvinyl Butyral); b) After the mixing process, it is removed from the ball mill, passing through a drying process with hot air flow, aiming to eliminate all alcohol. During the drying process, the bottle must be shaken intermittently to obtain a loose powder without large clumps. c) Next, using an agate mortar, the dry mixture must be deagglomerated, so that all the powder in the composition passes through an 80-mesh nylon sieve. The product resulting from this process is a dry and homogeneous powder of the Al2O3-1%, 3% and 5% vol. TiN; d) After deagglomerating, the ceramic composites are formed by uniaxial pressing in cylindrical steel molds with diameters of 8 mm and 13 mm, using a pressure of 150 MPa for 30 seconds, in a manual hydraulic press of 15 Ton. e) With the same conformation process by uniaxial pressing with pressure corresponding to 150 MPa for 30 seconds, specimens with square geometry are formed, containing dimensions in green of 16 mm x 16 mm and thickness of 5.5 mm; f) After conformation, the ceramic composites proceed to the conventional sintering process with the use of powdered graphite as a sacrificial phase, as presented in claim 3, which has the function of preserving the particulate reinforcement material in the case of TiN inserted in the Al2O3 matrix, avoiding the TiN oxidation process; g) As shown in Figure 2, the powdered graphite is placed inside an alumina crucible and the conformal specimen of the ceramic composites of the Al2O3-TiN system is inserted, which must be submerged in the powdered graphite contained in the aluminum crucible. alumina and finishing the powdered graphite coating with Al2O3 to take it to the sintering furnace; h) The sintering process is carried out at temperatures of 1500º C, 1550º C and 1600º C with a 2 hour hold, using a heating rate of 10º C/min and cooling in the furnace; i) After completing the sintering process, all parts are ground, and the cylindrical parts are used for characterization and analysis of apparent density, X-ray diffraction (DRX), scanning electron microscopy (SEM), spectroscopy energy dispersive X-rays (EDS), mechanical properties such as Vickers hardness, indentation fracture toughness and wear analysis in a pin disc tribometer. j) Parts with square geometric shapes, as mentioned above, are also ground, in order to carry out machinability tests on various materials such as carbon steel, stainless steel, aluminum, among others.

Claims

“COMPOSITE OF CERAMIC MATRIX OF ALUMINA (Al2O3) WITH PARTICULATE TITANIUM NITRIDE (TiN) REINFORCEMENT, PROCESSED BY CONVENTIONAL SINTERING USING POWDER GRAPHITE AS A SACRIFICE PHASE, FOR THE PRODUCTION OF CUTTING TOOLS IN MACHINING PROCESSES.” comprises three distinct parts, the first refers to production, the second to the sintering process and the third to the manufacture of cutting tools for machining processes, applying the ceramic composites presented by this present invention, characterized by the production of composites ceramics of the Al2O3-TiN system, containing a ceramic matrix base of Al2O3 (Aluminum Oxide) with particulate inclusions of TiN (Titanium Nitride) in powder form.

“COMPOSITE OF CERAMIC MATRIX OF ALUMINUM (Al2O3) WITH PARTICULATE TITANIUM NITRIDE (TiN) REINFORCEMENT, PROCESSED BY CONVENTIONAL SINTERIZATION USING GRAPHITE POWDER AS A SACRIFICE PHASE, FOR THE PRODUCTION OF CUTTING TOOLS IN MACHINING PROCESSES” according to the claim 1 characterized by the Al2O3-TiN system comprises all possible and permissible variations in composition, with regard to the amount of TiN inclusions in the Al2O3 ceramic base matrix, for the production of ceramic composites compatible with the Al2O3-TiN system.

“COMPOSITE OF CERAMIC MATRIX OF ALUMINUM (Al2O3) WITH PARTICULATE TITANIUM NITRIDE (TiN) REINFORCEMENT, PROCESSED BY CONVENTIONAL SINTERIZATION USING GRAPHITE POWDER AS A SACRIFICE PHASE, FOR THE PRODUCTION OF CUTTING TOOLS IN MACHINING PROCESSES” characterized by the sintering process conventional with the use of powdered graphite as a sacrificial phase, to protect the Al2O3-TiN system during the burning process.

"COMPOSITE OF CERAMIC MATRIX OF ALUMINUM (Al2O3) WITH PARTICULATE TITANIUM NITRIDE (TiN) REINFORCEMENT, PROCESSED BY CONVENTIONAL SINTERIZATION USING GRAPHITE POWDER AS A SACRIFICE PHASE, FOR THE PRODUCTION OF CUTTING TOOLS IN MACHINING PROCESSES" characterized by the manufacture of tools cutting tools, more specifically ceramic inserts/inserts for application in conventional machining processes and CNC – Computer Numerical Control.

“COMPOSITE OF CERAMIC MATRIX OF ALUMINUM (Al2O3) WITH PARTICULATE TITANIUM NITRIDE (TiN) REINFORCEMENT, PROCESSED BY CONVENTIONAL SINTERIZATION USING GRAPHITE POWDER AS A SACRIFICE PHASE, FOR THE PRODUCTION OF CUTTING TOOLS IN MACHINING PROCESSES” according to the claim 6 characterized by the manufacture of cutting tools that can be inserts and cutting inserts, interchangeable or non-interchangeable, weldable and adjustable.