Machinability of nano-CeO<sub>2</sub> reinforced ZK60 magnesium composites: drilling, tool coatings, analysis and process optimisation

Sur G., Demir B., Mustu M., Aydin F., DİLİPAK H., YILDIZ T., ...Daha Fazla

CANADIAN METALLURGICAL QUARTERLY, 2025 (SCI-Expanded, Scopus)

Özet

This research establishes an experimental and statistical framework for assessing the dry drilling performance of powder-metallurgy ZK60 magnesium composites reinforced with nano-sized CeO2 particles. Additions of CeO2 (0.0-1.2 wt.%) resulted in a similar to 23% refinement of the grain structure and a 6.5% increase in hardness, attributed to Zener-pinning and dispersion strengthening mechanisms. Drilling experiments with uncoated, TiAlN-coated, and DLC-coated carbide tools demonstrated significant differences in machinability. DLC demonstrated considerable efficacy, achieving a 22% reduction in surface roughness (Ra) and an 18% decrease in thrust force (FT) compared to uncoated drills - the optimal condition of 0.6 wt.% CeO2, DLC coating, and 0.08 mm/rev yielded a Ra value of 0.477 mu m and an FT of 185.9 N. ANOVA results demonstrated that reinforcement content significantly influenced Ra (83.4%, p = 0.024). In contrast, feed rate had the most substantial effect on FT (94.9%, p = 0.018). SEM observations revealed diminished adhesion, microploughing, and abrasive wear with DLC, whereas excessive CeO2 led to particle agglomeration and microdefects. The combined microstructural, tribological, and statistical findings offer insights for optimising reinforcement fraction, tool-coating choices, and drilling parameters in lightweight magnesium components. Cette recherche & eacute;tablit un cadre exp & eacute;rimental et statistique pour & eacute;valuer les performances de per & ccedil;age & agrave; sec de composites de magn & eacute;sium ZK60 obtenus par m & eacute;tallurgie des poudres et renforc & eacute;s de particules nanom & eacute;triques de CeO2. L'ajout de CeO2 (0.0 & agrave; 1.2% en poids) a entra & icirc;n & eacute; un affinement d'environ 23% de la structure granulaire et une augmentation de 6.5% de la duret & eacute;, attribu & eacute;s aux m & eacute;canismes de renforcement par & eacute;pinglage Zener et par diffusion. Des exp & eacute;riences de per & ccedil;age avec des outils en carbure sans rev & ecirc;tement, rev & ecirc;tus de TiAlN, et rev & ecirc;tus de DLC (carbone de type diamant) ont d & eacute;montr & eacute; des diff & eacute;rences importantes d'usinabilit & eacute;. Le DLC a d & eacute;montr & eacute; une grande efficacit & eacute;, atteignant une r & eacute;duction de 22% de la rugosit & eacute; superficielle (Ra) et une diminution de 18% de la pression de p & eacute;n & eacute;tration (FT) par rapport aux forets sans rev & ecirc;tement - les conditions optimales de 0.6% en poids CeO2, rev & ecirc;tement de DLC et 0.08 mm/tr ont permis d'obtenir un Ra de 0.477 mu m et une FT de 185.9 N. Les r & eacute;sultats d'ANOVA ont d & eacute;montr & eacute; que la teneur en renforcement influen & ccedil;ait significativement Ra (83.4%, p = 0.024). En revanche, la vitesse d'avance avait l'effet le plus substantiel sur FT (94.9%, p = 0.018). Les observations au MEB ont r & eacute;v & eacute;l & eacute; moins d'adh & eacute;rence, de micro-labour et d'usure par abrasion avec le DLC, alors qu'un exc & egrave;s de CeO2 produisait une agglom & eacute;ration des particules et des micro-d & eacute;fauts. Les r & eacute;sultats microstructuraux, tribologiques et statistiques combin & eacute;s offrent un aper & ccedil;u pour l'optimisation de la fraction de renforcement, des choix de rev & ecirc;tement de l'outil et des param & egrave;tres de per & ccedil;age dans les composants l & eacute;gers en magn & eacute;sium.