Fabricação, caracterização e avaliação de desempenho em usinagem de metal duro com adição de grafeno sinterizado por plasma pulsado

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dc.contributor.advisor-co1Carneiro, Marcelo Bertolete
dc.contributor.advisor-co1IDhttps://orcid.org/0000-0001-5817-8475
dc.contributor.advisor-co1Latteshttps://lattes.cnpq.br/5985238373861974
dc.contributor.advisor1Barbosa, Patrícia Alves
dc.contributor.advisor1IDhttps://orcid.org/0000-0003-1930-0815
dc.contributor.advisor1Latteshttps://lattes.cnpq.br/8803458151203934
dc.contributor.authorRosa, Jhonatan Dantas dos Santos
dc.contributor.authorIDhttps://orcid.org/0009-0003-5871-7434
dc.contributor.authorLatteshttps://lattes.cnpq.br/2127527753095331
dc.contributor.referee1Machado, Izabel Fernanda
dc.contributor.referee1IDhttps://orcid.org/0000-0002-1079-0777
dc.contributor.referee1Latteshttps://lattes.cnpq.br/6705415923436933
dc.contributor.referee2Filgueira, Marcello
dc.contributor.referee2IDhttps://orcid.org/0000-0001-5297-0250
dc.contributor.referee2Latteshttps://lattes.cnpq.br/0725750287341168
dc.date.accessioned2026-03-20T19:23:48Z
dc.date.available2026-03-20T19:23:48Z
dc.date.issued2025-09-30
dc.description.abstractCemented carbide, primarily composed of tungsten carbide (WC) and cobalt (Co), is the most widely used cutting tool material in the metalworking industry. Even with its excellent hardness and toughness properties, cemented carbide continues to be the focus of constant development, such as the addition of graphene. This nanoadditive promises to increase the performance of conventional materials by improving mechanical and lubrication properties. In this regard, this work aims to fabricate, characterise and evaluate the machining performance of cemented carbide with fewlayer graphene (FLG) addition. For this purpose, WC-10Co+0.1FLG and WC-10Co samples were sintered by spark plasma (SPS) at 1400°C, with uniaxial pressure of 40MPa in vacuum. Some of these samples were used for microstructural, hardness, fracture toughness, and density characterisation. Others were ground to produce cutting tools. The SPS-sintered tools with and without graphene addition were compared with a commercial insert (WC-Co - Commercial). Dry turning tests on grey cast iron FC250 were carried out under constant cutting conditions (Vc=150 m/min, f=0.15 mm/rev and ap=1.5 mm). Machining force, apparent coefficient of friction, cutting temperature, surface roughness parameter and tool wear were evaluated. The results showed that the addition of 0.1%wt of FLG has little influence on densification, with no effect on hardness; however, it promoted an average increase of 13.82% in fracture toughness. Graphene addition also promoted a overall gain in cutting tool performance, significantly reducing the machining force, the apparent coefficient of friction, and cutting temperature by 40.17%, 46.13% and 15.65%, respectively, compared to commercial insert. Furthermore, the nanoadditive improving the surface finish, reducing Ra by 68.75% compared to the commercial cutting tool. Regarding SPS-sintered tools, the graphene contributed to a 19.56% reduction in FU and a 29.22% reduction in the apparent friction coefficient. The WC10Co+0.1FLG tool showed crater wear (KB) of 448 µm and flank wear (VBB) of 218.3 µm. The last one was approximately three times smaller than the other inserts evaluated, with attrition as the dominant mechanism. Therefore, 0.1%wt of few-layer graphene (<10) added to cemented carbide (WC-10Co), which provides self lubrication and increased thermal conductivity, as well as fracture toughness; together with SPS sintering technique, which promotes high physical-mechanical characteristics; are shown as promising, innovative and efficient alternatives in the machining process sustainability.
dc.description.resumoO metal duro, constituído basicamente de carboneto de tungstênio (WC) e cobalto (Co), é o material de ferramenta de corte mais utilizado no setor metal-mecânico. Mesmo com suas excelentes propriedades de dureza e tenacidade, este material continua sendo foco de constantes desenvolvimentos, como a adição de grafeno. Este importante nanoaditivo tem prometido aumentar o desempenho de materiais convencionais com melhoria das propriedades mecânicas e de lubrificação. Nesse contexto, o presente trabalho tem por objetivo fabricar, caracterizar e avaliar o desempenho em usinagem de metal duro com adição de grafeno com poucas camadas (FLG – Few Layer Graphene). Para tanto, foram sinterizadas por plasma pulsado (SPS) à 1400°C, com pressão uniaxial 40MPa em vácuo, amostras de WC10Co+0,1FLG e WC-10Co. Parte destas amostras foram utilizadas para caracterização microestrutural, dureza, tenacidade à fratura e densidade. Outra parte foi retificada para gerar insertos de usinagem. As ferramentas sinterizadas por SPS sem e com adição de grafeno foram comparadas com um inserto comercial (WC-Co - Comercial). Ensaios de torneamento a seco em ferro fundido cinzento FC250 foram executados com condições de corte constante (Vc=150 m/min, f=0,15 mm/volta e ap=1,5 mm). Foram avaliadas as respostas de força de usinagem, coeficiente de atrito aparente, temperatura, rugosidade da peça usinada e desgaste da ferramenta. Os resultados mostraram que a adição de 0,1% em massa de FLG tem pouca influencia sobre a densificação, sem efeito na dureza, todavia, promoveu um aumento médio de 13,82% na tenacidade à fratura. A adição de grafeno também promoveu de maneira geral ganho no desempenho da ferramenta de metal duro reduzindo significativamente a força de usinagem (40,17%); o coeficiente de atrito aparente (46,13%); a temperatura de usinagem (15,65%); além de melhorar o acabamento da superfície da peça usinada, reduzindo Ra em 68,75%, em comparação com o inserto comercial. Com relação às ferramentas sinterizadas por SPS a adição de grafeno contribuiu com a redução de FU em 19,56% e do coeficente de atrito aparente em 29,22%. A ferramenta WC-10Co+0,1FLG apresentou desgastes de cretera (KB=448 µm) e de flanco (VBB=218,3 µm, aproximadamente três vezes menor que os outros insertos avaliados), com mecanismo dominante por attrition. Dessa forma, a adição de 0,1% de grafeno com poucas camadas (<10) à composição do metal duro (WC-10Co), que confere autolubrificação e aumento de condutividade térmica, além de tenacidade à fratura; em conjunto com a sinterização por SPS, que promove elevadas características fisico-mecanicas, se mostram como alternativas promissoras, inovadoras e eficientes na sustentabilidade do processo de usinagem.
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
dc.formatText
dc.identifier.urihttp://repositorio.ufes.br/handle/10/20966
dc.languagepor
dc.publisherUniversidade Federal do Espírito Santo
dc.publisher.countryBR
dc.publisher.courseMestrado em Engenharia Mecânica
dc.publisher.departmentCentro Tecnológico
dc.publisher.initialsUFES
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica
dc.rightsopen access
dc.subjectMetal duro
dc.subjectFerramentas de corte
dc.subjectUsinagem
dc.subject.cnpqEngenharia Mecânica
dc.titleFabricação, caracterização e avaliação de desempenho em usinagem de metal duro com adição de grafeno sinterizado por plasma pulsado
dc.typemasterThesis
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