O objetivo principal desse trabalho é investigar a aplicação de cerâmica á base de Zirconia em ferramentas de corte na usinagem de aço temperado (VND) utilizando um torno de ultraprecisão. Foram analisados dois tipos de composições de cerâmicas com estrutura cristalina diferentes, sendo elas: monoclínica e tetragonal. A diferença destas estruturas é devido à adição de Ytria. A fase monoclínica não contém Ytria em sua composição, enquanto, a fase tetragonal é obtida com Ytria (\'Y IND.3\') (chamada zirconia parcialmente estabilizada com Ytria). A fase tetragonal apresenta uma resistência elevada ao impacto junto com alta dureza (1800 kgf/\'MM POT.2\') quando comparada com a fase monoclínica que apresenta alta dureza mas menor tenacidade. Devido a este fato, esses materiais têm chamado à atenção dos pesquisadores para a usinagem de aços endurecidos. A geração de superfície é influenciada por diversos fatores, sendo eles: material peça, condições de corte, erros macro geométrico, erros de micro geometricos e do estado da aresta da ferramenta. Na usinagem de ultraprecisão a alta rigidez e vibração/trepidação máquina ferramenta é usada para evitar erros de micro geometria e macro geometria que conseqüentemente são transferidos para superfície da peça. Neste trabalho, devido ao fato de se usar um torno de ultraprecisão é possível afirmar que o perfil da rugosidade é gerado pela replicação do perfil da aresta da ferramenta de corte para a superfície da peça. A rugosidade da superfície foi medida com um perfilometro óptico com resolução de 0,1 nm. Os resultados mostraram que a rugosidade da superfície obtida após os testes de usinagem com as ferramantas de cerâmicas chegou á valores em torno de 0,140 microns, o que equivale ao acabamento com processo de retificação. Outro aspecto importante refere-se ao desgaste das ferramentas que, conseqüentemente, tem uma grande influência nos resultados obtidos. As ferramentas de corte foram analisadas antes e depois da usinagem por microscópio eletrônico de varredura. Verificou-se que as ferramentas de corte na fase tetragonal apresentaram desgaste do tipo cratera na aresta da ferramenta enquanto a aresta da ferramenta monoclínica apresentou desgaste do tipo lascamento. / The main objective of this work is to investigate the application of a ceramic composite of Alumina-Zirconia cutting tools inserts in the machining of hardened steel (VND) in an ultraprecision lathe. Two different ceramic compositions with different crystalline structure were tested, to know: monoclinic and tetragonal. The difference in these structures is due the addition of Yttrium. The monoclinic phase has no Yttrium in its composition while the tetragonal phase is obtained with Ytrium (\'Y IND.3\') (named partially stabilized zirconium). The tetragonal phase presents a high impact toughness along with high hardness (1800 kgf/\'MM POT.2\') when compared to the monoclinic phase which presents high hardness but lower toughness. Due to this fact, these materials have draw attention of researchers in the field of machining of hardened steels. The surface generation is influenced by several factors, to know: workpiece material, cutting conditions, macro geometry errors, micro geometry errors and the sharpness of the cutting edge. In ultraprecision machining, a high stiffness and chatter/vibration free machine tool is used in order to avoid common macro and micro geometry errors replicated into the workpiece surface. In this case, it is possible to assert that the roughness profile is generated by the replication of the cutting tool edge profile to the workpiece surface. The surface roughness was measured by an optical profiler with resolution of 0,1 nm. The results showed that the surface roughness obtained after machining tests with these ceramic inserts were in the range of 0,140 micrometers, which is in the same range of roughness obtained by the grinding process. Another important aspect refers to the wear of the ceramic inserts which has direct influence in the performance as a cutting tool material. The cutting inserts were evaluated before and after machining by scanning electron microscope. It was found that the tetragonal phase cutting tools presented crater wear on the rake face while the monoclinic phase presented cutting edge chipping as the main main type of wear.

O objetivo principal desse trabalho é investigar a aplicação de cerâmica á base de Zirconia em ferramentas de corte na usinagem de aço temperado (VND) utilizando um torno de ultraprecisão. Foram analisados dois tipos de composições de cerâmicas com estrutura cristalina diferentes, sendo elas: monoclínica e tetragonal. A diferença destas estruturas é devido à adição de Ytria. A fase monoclínica não contém Ytria em sua composição, enquanto, a fase tetragonal é obtida com Ytria (\'Y IND.3\') (chamada zirconia parcialmente estabilizada com Ytria). A fase tetragonal apresenta uma resistência elevada ao impacto junto com alta dureza (1800 kgf/\'MM POT.2\') quando comparada com a fase monoclínica que apresenta alta dureza mas menor tenacidade. Devido a este fato, esses materiais têm chamado à atenção dos pesquisadores para a usinagem de aços endurecidos. A geração de superfície é influenciada por diversos fatores, sendo eles: material peça, condições de corte, erros macro geométrico, erros de micro geometricos e do estado da aresta da ferramenta. Na usinagem de ultraprecisão a alta rigidez e vibração/trepidação máquina ferramenta é usada para evitar erros de micro geometria e macro geometria que conseqüentemente são transferidos para superfície da peça. Neste trabalho, devido ao fato de se usar um torno de ultraprecisão é possível afirmar que o perfil da rugosidade é gerado pela replicação do perfil da aresta da ferramenta de corte para a superfície da peça. A rugosidade da superfície foi medida com um perfilometro óptico com resolução de 0,1 nm. Os resultados mostraram que a rugosidade da superfície obtida após os testes de usinagem com as ferramantas de cerâmicas chegou á valores em torno de 0,140 microns, o que equivale ao acabamento com processo de retificação. Outro aspecto importante refere-se ao desgaste das ferramentas que, conseqüentemente, tem uma grande influência nos resultados obtidos. As ferramentas de corte foram analisadas antes e depois da usinagem por microscópio eletrônico de varredura. Verificou-se que as ferramentas de corte na fase tetragonal apresentaram desgaste do tipo cratera na aresta da ferramenta enquanto a aresta da ferramenta monoclínica apresentou desgaste do tipo lascamento. / The main objective of this work is to investigate the application of a ceramic composite of Alumina-Zirconia cutting tools inserts in the machining of hardened steel (VND) in an ultraprecision lathe. Two different ceramic compositions with different crystalline structure were tested, to know: monoclinic and tetragonal. The difference in these structures is due the addition of Yttrium. The monoclinic phase has no Yttrium in its composition while the tetragonal phase is obtained with Ytrium (\'Y IND.3\') (named partially stabilized zirconium). The tetragonal phase presents a high impact toughness along with high hardness (1800 kgf/\'MM POT.2\') when compared to the monoclinic phase which presents high hardness but lower toughness. Due to this fact, these materials have draw attention of researchers in the field of machining of hardened steels. The surface generation is influenced by several factors, to know: workpiece material, cutting conditions, macro geometry errors, micro geometry errors and the sharpness of the cutting edge. In ultraprecision machining, a high stiffness and chatter/vibration free machine tool is used in order to avoid common macro and micro geometry errors replicated into the workpiece surface. In this case, it is possible to assert that the roughness profile is generated by the replication of the cutting tool edge profile to the workpiece surface. The surface roughness was measured by an optical profiler with resolution of 0,1 nm. The results showed that the surface roughness obtained after machining tests with these ceramic inserts were in the range of 0,140 micrometers, which is in the same range of roughness obtained by the grinding process. Another important aspect refers to the wear of the ceramic inserts which has direct influence in the performance as a cutting tool material. The cutting inserts were evaluated before and after machining by scanning electron microscope. It was found that the tetragonal phase cutting tools presented crater wear on the rake face while the monoclinic phase presented cutting edge chipping as the main main type of wear.

O presente estudo aborda a fronteira da manufatura de ultraprecisão (UP) da zircônia tetragonal policristalina estabilizada com 3 mol% de ítria (3Y-TZP), realizado por meio da lapidorretificação Ud. A crescente demanda por produtos de cerâmicas avançadas com: elevado acabamento e integridade superficial; alta exatidão de forma; e menor custo de fabricação, tem fomentado pesquisas em diversas áreas da nanociência e nanotecnologia (N&N), visando sobrepujar as limitações ou agregando as principais vantagens dos tradicionais processos de retificação, lapidação e polimento. Em decorrência das excepcionais propriedades mecânicas, a cerâmica 3Y-TZP tem sido extensivamente aplicada na indústria. A 3Y-TZP, entretanto, pode apresentar a desestabilização da sua fase tetragonal em diferentes situações e condições, por exemplo, tendo início na própria manufatura, durante sua usinagem, podendo comprometer seu desempenho. Dessa forma, a 3Y-TZP pode ser considerada um material chave para avaliar e qualificar os processos abrasivos que visam padrão ouro de qualidade que, portanto, não devem suscitar a transformação martensítica. Em meio à pluralidade de processos, destaca-se a lapidorretificação Ud. A presente pesquisa estudou a manufatura UP de superfícies planas de zircônia TZ-3Y-E lapidorretificadas com rebolos de SiC de liga epóxi, almejando rugosidade nanométrica e integridade superficial sem danos microestruturais. Discos de TZ-3Y-E foram prensados isostaticamente a 200 MPa e sinterizados a 1400°C por 2 horas. Os discos foram caracterizados por meio de ensaios de: microdureza; perfilometria de contato e óptica; MEV-FEG; espectroscopia Raman; DRX; e microscopia confocal de epi-fluorescência. Os projetos mecânico e eletroeletrônico da Lapidorretificadora Fiocchi foram evoluídos na direção da retificação cerâmica UP. Os resultados demostraram que o projeto evolutivo da lapidorretificadora Fiocchi foi bem sucedido. A execução e controle das etapas de processamento cerâmico foram fundamentais para obter corpos cerâmicos densos e homogêneos, compatíveis com o acabamento aspirado. Os parâmetros de usinagem que se destacaram foram: profundidade de dressagem de 0,1 mm; pressão de lapidorretificação de 100 kPa; 100 rpm do rebolo e porta-peça; e emulsão (1:40) aplicada por MQF. A aspiração dos resíduos sobre o rebolo melhorou em 21,6% o acabamento, todavia a associação de abrasão dois (rebolo) e três corpos (abrasivos soltos) reduziu em 57,15% a rugosidade. O macroefeito foi visível nos rebolos de #800, #600 e #300 dressados com Ud = 1. A menor rugosidade, Ra = 60,63 nm, proveio do rebolo #300 dressado com Ud=5. O menor desvio de planeza, 0,308 μm, foi obtido com o rebolo de #800 e Ud = 3. O processo alcançou condições de plasticidade da zircônia que apontam para o predomínio dos mecanismos de remoção de microcorte e pulverização de material, sem ocorrência de microtrinca. Segundo ensaios de DRX e Espectroscopia Raman, a lapidorretificação Ud não provocou transformação martensítica. Todavia, o rebolo de #300 gerou alargamento assimétrico dos picos tetragonais nas proximidades de 2θ = 35° e 39° e a reversão das intensidades dos picos tetragonais a 40° e 41°. A reversão foi atribuída a mudança do domínio ferroelástico e a reorientação de planos cristalográficos em nível de cristalito. Os estudos sugerem que a usinagem introduziu tensão residual de compressão que pode ter estabilizado a fase romboédrica. Não há relato de processo capaz de alcançar acabamento nanométrico similar com mesmo tamanho e tipo de abrasivo. A lapidorretificação Ud pode substituir o engajamento da retificação, lapidação e polimento de cerâmica avançada. / The present study focuses on the border of ultra-precision (UP) manufacturing of 3 mol% yttria tetragonal zirconia polycrystal (3Y-TZP), carried out by Ud-lap grinding. The increasing demand for advanced ceramic products with: high surface finish and integrity; high form accuracy; and lower manufacturing cost, has encourage research in several areas of nanoscience and nanotechnology (N&N), to overcome the limitations or adding the main advantages of traditional grinding, lapping, and polishing processes. 3Y-TZP ceramics has been extensively applied by industry due to its exceptional mechanical properties. The 3Y-TZP, however, can present destabilization of its tetragonal phase in different situations and conditions. In the beginning of its manufacture, during its machining for instance, which may compromise its performance. Thus, the 3Y-TZP can be considered a key material to evaluate and qualify abrasive processes aiming gold standard quality that, therefore, should not raise the martensitic transformation. In the midst of plurality of processes, it is noteworthy the Ud-lap grinding. This research studied the UP manufacture of flat TZ-3Y-E zirconia surfaces lap ground with epoxy binder SiC grinding wheels, aiming to nanometer roughness and microstructural integrity without damage. Discs of TZ-3Y-E were isostatically pressed at 200 MPa and sintered at 1400 °C for 2 hours. The discs were characterized by tests of: microhardness; contact and optical profilometry; FEG-SEM; Raman spectroscopy; XRD; and confocal epi-fluorescence. Mechanical and electric-electronic designs of Fiocchi lap grinder were developed toward the UP ceramic grinding. Results showed that the developmental design of Fiocchi lap grinder was successful. The accomplishment and control of ceramic processing stages were essential for dense and homogenous ceramic bodies, compatible with the finish aspired. The machining parameters that stood out were: 0.1 mm depth of dressing; 100 kPa lap grinding pressure; 100 rpm grinding wheel and workpiece-holder; and emulsion applied by MQF. Suction of debris on the grinding wheel has improved finishing in 21.6%, however the combination of two-body abrasion (grinding wheel) and three-body abrasion (loose abrasives) decreased roughness in 57.15%. The macroeffect was visible on #800, #600, and #300 dressed with Ud = 1. The best finishing, Ra = 60.63 nm, came from #300 grinding wheel dressed with Ud = 5. The smallest flatness deviation, 0.308 μm, was obtained with the #800 grinding wheel and Ud = 3. The process has achieved zirconia plasticity conditions pointing towards predominance of microcutting and pulverization material removal mechanism without causing microcrack. According to XRD and Raman spectroscopy, the Ud-lap grinding caused no martensitic transformation. However, #300 grinding wheel has generated asymmetric broadening of the tetragonal peaks close to 2θ = 35° e 39° and reversal of the intensities of 40° and 41° tetragonal peaks. The reversal was attributed to ferroelastic switching and reorientation of crystallographic planes into crystallite level. Studies suggest that the machining has introduced compressive residual stress that may have stabilized rhombohedral phase. There is no report of an abrasive process capable of achieving similar nanometric finish with same grit size and type of abrasive. The Ud-lap grinding can replace the engagement of grinding, lapping, and polishing of advanced ceramics.

O presente estudo aborda a fronteira da manufatura de ultraprecisão (UP) da zircônia tetragonal policristalina estabilizada com 3 mol% de ítria (3Y-TZP), realizado por meio da lapidorretificação Ud. A crescente demanda por produtos de cerâmicas avançadas com: elevado acabamento e integridade superficial; alta exatidão de forma; e menor custo de fabricação, tem fomentado pesquisas em diversas áreas da nanociência e nanotecnologia (N&N), visando sobrepujar as limitações ou agregando as principais vantagens dos tradicionais processos de retificação, lapidação e polimento. Em decorrência das excepcionais propriedades mecânicas, a cerâmica 3Y-TZP tem sido extensivamente aplicada na indústria. A 3Y-TZP, entretanto, pode apresentar a desestabilização da sua fase tetragonal em diferentes situações e condições, por exemplo, tendo início na própria manufatura, durante sua usinagem, podendo comprometer seu desempenho. Dessa forma, a 3Y-TZP pode ser considerada um material chave para avaliar e qualificar os processos abrasivos que visam padrão ouro de qualidade que, portanto, não devem suscitar a transformação martensítica. Em meio à pluralidade de processos, destaca-se a lapidorretificação Ud. A presente pesquisa estudou a manufatura UP de superfícies planas de zircônia TZ-3Y-E lapidorretificadas com rebolos de SiC de liga epóxi, almejando rugosidade nanométrica e integridade superficial sem danos microestruturais. Discos de TZ-3Y-E foram prensados isostaticamente a 200 MPa e sinterizados a 1400°C por 2 horas. Os discos foram caracterizados por meio de ensaios de: microdureza; perfilometria de contato e óptica; MEV-FEG; espectroscopia Raman; DRX; e microscopia confocal de epi-fluorescência. Os projetos mecânico e eletroeletrônico da Lapidorretificadora Fiocchi foram evoluídos na direção da retificação cerâmica UP. Os resultados demostraram que o projeto evolutivo da lapidorretificadora Fiocchi foi bem sucedido. A execução e controle das etapas de processamento cerâmico foram fundamentais para obter corpos cerâmicos densos e homogêneos, compatíveis com o acabamento aspirado. Os parâmetros de usinagem que se destacaram foram: profundidade de dressagem de 0,1 mm; pressão de lapidorretificação de 100 kPa; 100 rpm do rebolo e porta-peça; e emulsão (1:40) aplicada por MQF. A aspiração dos resíduos sobre o rebolo melhorou em 21,6% o acabamento, todavia a associação de abrasão dois (rebolo) e três corpos (abrasivos soltos) reduziu em 57,15% a rugosidade. O macroefeito foi visível nos rebolos de #800, #600 e #300 dressados com Ud = 1. A menor rugosidade, Ra = 60,63 nm, proveio do rebolo #300 dressado com Ud=5. O menor desvio de planeza, 0,308 μm, foi obtido com o rebolo de #800 e Ud = 3. O processo alcançou condições de plasticidade da zircônia que apontam para o predomínio dos mecanismos de remoção de microcorte e pulverização de material, sem ocorrência de microtrinca. Segundo ensaios de DRX e Espectroscopia Raman, a lapidorretificação Ud não provocou transformação martensítica. Todavia, o rebolo de #300 gerou alargamento assimétrico dos picos tetragonais nas proximidades de 2θ = 35° e 39° e a reversão das intensidades dos picos tetragonais a 40° e 41°. A reversão foi atribuída a mudança do domínio ferroelástico e a reorientação de planos cristalográficos em nível de cristalito. Os estudos sugerem que a usinagem introduziu tensão residual de compressão que pode ter estabilizado a fase romboédrica. Não há relato de processo capaz de alcançar acabamento nanométrico similar com mesmo tamanho e tipo de abrasivo. A lapidorretificação Ud pode substituir o engajamento da retificação, lapidação e polimento de cerâmica avançada. / The present study focuses on the border of ultra-precision (UP) manufacturing of 3 mol% yttria tetragonal zirconia polycrystal (3Y-TZP), carried out by Ud-lap grinding. The increasing demand for advanced ceramic products with: high surface finish and integrity; high form accuracy; and lower manufacturing cost, has encourage research in several areas of nanoscience and nanotechnology (N&N), to overcome the limitations or adding the main advantages of traditional grinding, lapping, and polishing processes. 3Y-TZP ceramics has been extensively applied by industry due to its exceptional mechanical properties. The 3Y-TZP, however, can present destabilization of its tetragonal phase in different situations and conditions. In the beginning of its manufacture, during its machining for instance, which may compromise its performance. Thus, the 3Y-TZP can be considered a key material to evaluate and qualify abrasive processes aiming gold standard quality that, therefore, should not raise the martensitic transformation. In the midst of plurality of processes, it is noteworthy the Ud-lap grinding. This research studied the UP manufacture of flat TZ-3Y-E zirconia surfaces lap ground with epoxy binder SiC grinding wheels, aiming to nanometer roughness and microstructural integrity without damage. Discs of TZ-3Y-E were isostatically pressed at 200 MPa and sintered at 1400 °C for 2 hours. The discs were characterized by tests of: microhardness; contact and optical profilometry; FEG-SEM; Raman spectroscopy; XRD; and confocal epi-fluorescence. Mechanical and electric-electronic designs of Fiocchi lap grinder were developed toward the UP ceramic grinding. Results showed that the developmental design of Fiocchi lap grinder was successful. The accomplishment and control of ceramic processing stages were essential for dense and homogenous ceramic bodies, compatible with the finish aspired. The machining parameters that stood out were: 0.1 mm depth of dressing; 100 kPa lap grinding pressure; 100 rpm grinding wheel and workpiece-holder; and emulsion applied by MQF. Suction of debris on the grinding wheel has improved finishing in 21.6%, however the combination of two-body abrasion (grinding wheel) and three-body abrasion (loose abrasives) decreased roughness in 57.15%. The macroeffect was visible on #800, #600, and #300 dressed with Ud = 1. The best finishing, Ra = 60.63 nm, came from #300 grinding wheel dressed with Ud = 5. The smallest flatness deviation, 0.308 μm, was obtained with the #800 grinding wheel and Ud = 3. The process has achieved zirconia plasticity conditions pointing towards predominance of microcutting and pulverization material removal mechanism without causing microcrack. According to XRD and Raman spectroscopy, the Ud-lap grinding caused no martensitic transformation. However, #300 grinding wheel has generated asymmetric broadening of the tetragonal peaks close to 2θ = 35° e 39° and reversal of the intensities of 40° and 41° tetragonal peaks. The reversal was attributed to ferroelastic switching and reorientation of crystallographic planes into crystallite level. Studies suggest that the machining has introduced compressive residual stress that may have stabilized rhombohedral phase. There is no report of an abrasive process capable of achieving similar nanometric finish with same grit size and type of abrasive. The Ud-lap grinding can replace the engagement of grinding, lapping, and polishing of advanced ceramics.