Evaluation of engineering ceramics and cermets performance in high-stress abrasion

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dc.contributor.advisor-co1Scandian, Cherlio
dc.contributor.advisor-co1IDhttps://orcid.org/0000-0002-4393-719X
dc.contributor.advisor-co1Latteshttp://lattes.cnpq.br/8466752738430250
dc.contributor.advisor1Strey, Nathan Fantecelle
dc.contributor.advisor1IDhttps://orcid.org/0000-0002-2568-116X
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/3613706957012460
dc.contributor.authorSousa, Natália de Oliveira
dc.contributor.authorIDhttps://orcid.org/0009-0002-6858-560X
dc.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/4123866993043725
dc.contributor.referee1Sinatora, Amilton
dc.contributor.referee1IDhttps://orcid.org/0000-0002-5004-4947
dc.contributor.referee1Latteshttp://lattes.cnpq.br/2988437176012972
dc.contributor.referee2Penagos, Jose Jimmy
dc.contributor.referee2IDhttps://orcid.org/0000-0003-2879-4722
dc.contributor.referee2Latteshttp://lattes.cnpq.br/5197354360810183
dc.date.accessioned2025-08-12T13:26:39Z
dc.date.available2025-08-12T13:26:39Z
dc.date.issued2025-07-08
dc.description.abstractEste trabalho de mestrado investiga o comportamento do desgaste de cerâmicas de engenharia e cermet (Al2O3, ZrO2, ZTA, B4C e PCD), em comparação ao metal duro WC/Co — um material atualmente adotado como referência para sistemas submetidos a desgaste abrasivo severo, especialmente os sistemas de prensa de rolos de alta pressão (High Pressure Grinding Roll– HPGR), utilizados na cominuição de minério. O ensaio de abrasão de alta tensão ASTM B611-21 foi selecionado por sua capacidade de classificar a resistência ao desgaste de materiais duros em condições que envolvem fragmentação de partículas abrasivas. Embora o procedimento da norma ASTM B611 especifique a alumina 30-grit como abrasivo, também foi utilizada a Areia Normal Brasileira– IPT para simular condições menos severas. Inicialmente, o equipamento de abrasão previamente construído em laboratório foi validado utilizando-se a alumina como abrasivo, enquanto o comportamento do desgaste foi avaliado principalmente com areia, ambos os procedimentos de ensaios realizados a 200 N. A resistência ao desgaste foi correlacionada com as propriedades mecânicas e características de cada material. A areia foi aproximadamente dez vezes menos severa que a alumina nos ensaios com WC/Co e ZTA. Dentre todos os materiais testados com areia, o PCD apresentou a menor taxa de desgaste (2 × 10−4 mm3/m), dez vezes inferior à do WC/Co (2 × 10−3 mm3/m), enquanto a Al2O3 apresentou a maior (7.1 × 10−1 mm3/m), 350 vezes superior. A segunda etapa explorou o efeito da carga e do tipo de abrasivo sobre o desgaste. Para simular condições mais realistas, utilizaram-se a areia padrão e o pellet feed, um dos principais constituintes do minério de ferro, a 65 N e 130 N. ZrO2, B4C, PCD e WC/Co foram selecionados para investigação adicional, tendo suas taxas de desgaste e os mecanismos de desgaste correlacionados com suas propriedades. OPCDmanteve-se como o material de melhor desempenho (7×10−5–3.5×10−4 mm3/m), apresentando taxas de desgaste próximas às do WC/Co. O B4C também se mostrou promissor em condições menos severas (por exemplo, 2−6×10−4 mm3/m com pellet feed). A ZrO2, anteriormente a cerâmica de melhor desempenho nos ensaios a 200 N com areia, apresentou taxas de desgaste de uma a três ordens de grandeza superiores às do WC/Co. Nos ensaios com alumina e areia como abrasivos, foi detectada a cominuição abrasiva, especialmente para partículas menores na distribuição granulométrica dos abrasivos. O estudo concluiu que o WC/Co permanece como escolha claramente justificada para aplicações de abrasão severa, particularmente em sistemas HPGR, mas também destaca o potencial de compósitos cerâmico-metálicos como o PCD e a aplicabilidade das cerâmicas de engenharia, a depender da severidade abrasiva do sistema
dc.description.resumoThis master’s study investigates the wear behavior of engineering ceramics and cermet (Al2O3, ZrO2, ZTA, B4C and PCD) compared to the hardmetal WC/Co- current reference material for systems under severe abrasive wear, especially High Pressure Grinding Roll (HPGR) systems used in ore comminution. The high-stress abrasion test ASTM B611-21 was selected for its ability to rank wear resistance of hard materials under conditions involving abrasive particle crushing. Although the ASTM B611 procedure specifies alumina 30 grit as abrasive, Standard Brazilian Sand- IPT was also used to simulate less severe conditions. Initially, the abrasion equipment previously built in laboratory was validated using alumina as abrasive, while wear behavior was mainly assessed using sand, both tests procedures at 200 N. Wear resistance was correlated with mechanical properties and features of each material. Sand proved to be approximately ten times less severe than alumina in tests with WC/Co and ZTA. Among all materials tested with sand, PCD showed the lowest wear rate (2 × 10−4 mm3/m), ten times lower than WC/Co (2×10−3 mm3/m), while Al2O3 had the highest (7.1×10−1 mm3/m), 350 times greater. The second stage explored the effect of load and abrasive type on wear. To simulate more realistic conditions, the standard sand and pellet feed, a main iron ore constituent, were used, at 65 N and 130 N. ZrO2, B4C, PCD, and WC/Co were selected for further investigation, with wear rate and wear mechanisms correlated to material properties. PCD remained the top performer (7 × 10−5–3.5 × 10−4 mm3/m), showing wear rates approaching those of WC/Co. B4C also proved promising under milder conditions (e.g., 2 − 6 × 10−4 mm3/m with pellet feed). ZrO2, previously the best ceramic in 200 N/sand tests, exhibited wear rates one to three orders of magnitude higher than WC/Co. In tests using alumina and sand as abrasives, abrasive comminution was detected, especially for smaller particles of the abrasives’ size distribution. The study concluded that WC/Co remains clearly justified for high-stress abrasion, particularly for HPGR systems, but also highlights the potential of ceramic–metal composites like PCD and the conditional applicability of engineering ceramics based on system severity
dc.description.sponsorshipFundação de Amparo à Pesquisa e Inovação do Espírito Santo (Fapes)
dc.description.sponsorshipInstituto Tecnológico Vale (ITV)
dc.formatText
dc.identifier.urihttp://repositorio.ufes.br/handle/10/20081
dc.languagepor
dc.language.isoen
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.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subjectAbrasão em alta tensão
dc.subjectCerâmicas de engenharia
dc.subjectCermets
dc.subjectHigh-stress abrasion
dc.subjectEngineering ceramics
dc.subject.cnpqEngenharia Mecânica
dc.titleEvaluation of engineering ceramics and cermets performance in high-stress abrasion
dc.typemasterThesis
foaf.mboxnatalia.olisousa@gmail.com
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