Drilling of Titanium and Titanium Matrix Boron Carbide Additive Composite Materials Produced by Powder Metallurgy with Different Carbide Drills

Abstract

In this study, drilling operations were carried out on titanium and titanium matrix boron carbide (B4C) reinforced materials produced by the powder metallurgy method. The study investigated the effects of cutting parameters on thrust force and surface roughness using three different carbide drills. In the experiments, 5 mm diameter carbide drills were used at a cutting speed of 20-30 m/min and a feed rate of 0.05 mm/rev. The study observed that the feed force and moment values decreased as a result of B4C reinforcement. The decrease in the friction coefficient in the carbide drills also decreased the thrust force and moment values. The lowest thrust force value was measured as 208 N at a cutting speed of 30 m/min in the reinforced sample drilled with an AlTiN-coated carbide drill. Surface roughness values decreased with increasing cutting speed. It was determined that the B4C reinforcement improved the hole surface quality.

Keywords

• Titanium
• Thrust force
• Carbide drill

Toz Metalurjisi İle Üretilmiş Titanyum ve Titanyum Matrisli Bor Karbür Katkılı Kompozit Malzemelerin Farklı Karbür Matkaplarla Delinmesi

Öz

Bu çalışmada, toz metalurjisi yöntemiyle üretilen titanyum ve titanyum matrisli bor karbür (B4C) takviyeli malzemelere delik delme işlemi yapılmştır. Çalışmada, üç farklı karbür matkap kullanılarak kesme parametrelerinin ilerleme kuvveti ve yüzey pürüzlülüğü üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Yapılan deneylerde, 5 mm çaplı karbür matkaplarla 20-30 m/dak kesme hızı ve 0,05 mm/dev ilerleme miktarı kullanılmıştır. Yapılan çalışmada, B4C takviyesi sonucunda ilerleme kuvveti ve moment değerlerinin düştüğü görülmüştür. Karbür matkaplardaki sürtünme katsayısının düşmesiyle, ilerleme kuvveti ve moment değerleri de düşmüştür. En düşük ilerleme kuvveti değeri, takviyeli numunede AlTiN kaplamalı karbür matkapla delinen delikte 30 m/dak kesme hızında 208 N olarak ölçülmüştür. Yüzey pürüzlülüğü değerleri, kesme hızının artmasıyla birlikte azalmıştır. B4C takviyesinin delik yüzey kalitesini artırdığı belirlenmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Titanyum
• İlerleme kuvveti
• Karbür matkap

References

1. [1] Gariba, A.M.M., Islak, S., Hraam, H.R.H., Akkaş, M. (2022). Microstructural and mechanical properties of Ti-B4C/CNF functionally graded materials. Metallography, Microstructure, and Analysis, 11(5), 736-745.
2. [2] Tjong, S.C., Mai, Y.W. (2008). Processing-structure-property aspects of particulate-and whisker-reinforced titanium matrix composites. Composites science and technology, 68(3-4), 583-601.
3. [3] Kondoh, K. (2015). Titanium metal matrix composites by powder metallurgy (PM) routes. In Titanium powder metallurgy (pp. 277-297). Butterworth-Heinemann
4. [4] Muthuchamy, A., Ram, G.J., Sarma, V.S. (2017). Spark plasma consolidation of continuous fiber reinforced titanium matrix composites. Materials Science and Engineering: A, (703), 461-469.
5. [5] Karabulut, Ş., Karakoç, H., Çıtak, R. (2016). Influence of B4C particle reinforcement on mechanical and machining properties of Al6061/B4C composites. Composites Part B: Engineering, (101), 87-98.
6. [6] Thuault, A., Marinel, S., Savary, E., Heuguet, R., Saunier, S. Goeuriot, D., Agrawal, D. (2013). Processing of reaction-bonded B4C–SiC composites in a single-mode microwave cavity. Ceramics International, 39(2), 1215-1219.
7. [7] Domnich, V., Reynaud, S., Haber, R.A., Chhowalla, M. (2011). Boron carbide: structure, properties, and stability under stress. Journal of the American Ceramic Society, 94(11), 3605-3628.
8. [8] Chinthamani, S., Kannan, G., George, G.D., Sreedharan, CES., Rajagopal, K. S. (2020). Effect of nano B4C on the tribological behaviour of magnesium alloy prepared through powder metallurgy. Materials Science, 26(4), 392-400.

9. [9] Memiş, F., Turgut Y. AISI 2205 (2020). Dubleks Paslanmaz Çeliğin CNC Torna Tezgâhında İşlenmesinde Yüzey Pürüzlülüğü ve Kesme Kuvvetlerinin Deneysel Araştırılması. İmalat Teknolojileri ve Uygulamaları, (1), 22-33.
10. [10] Zhao, G., Zhao, B., Ding, W., Xin, L., Nian, Z., Peng, J., Xu, J. (2024). Nontraditional energy-assisted mechanical machining of difficult-to-cut materials and components in aerospace community: a comparative analysis. International Journal of Extreme Manufacturing, 6(2), 022007.
11. [11] Işık, Y., Çakır, M.C. (2001). Hız çeliği takımlar için kesme parametrelerinin yüzey pürüzlülüğüne etkilerinin deneysel olarak incelenmesi, TEKNOLOJİ, 1(2), 111-118.
12. [12] Özlü, B., Demir, H., Nas, E. (2014). CNC tornalama işleminde yüzey pürüzlülüğü ve kesme kuvvetlerine etki eden parametrelerin matematiksel olarak modellenmesi, İleri Teknoloji Bilimleri Dergisi 3(2), 75-86.
13. [13] Akdeniz, K., Çakır, Şencan, A. (2025). AISI 1040 Alaşımının Frezelenmesinde Teorik ve Uygulamalı Kesme Parametrelerine Dayalı iTool Adlı Yeni bir Paket Program ile Bilgisayar Destekli Süreç Planlama. Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji, 13(3),1208-1226.
14. [14] Çakır, A., (2015). AA 7075 ve AA 2024 Alüminyum Malzemelerine Delik Delinmesinde Soğutma Yöntemlerinin İşleme Performansına Etkilerinin İncelenmesi, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara.
15. [15] Bayraktar, Ş., Sıyambaş, Y., Turgut, Y. (2017). Delik delme prosesi: bir araştırma, SAÜ Fen Bilim Enstitüsü Dergisi, (21), 124–124.
16. [16] Tönshoff, H. K., Spintig, W., König, W., Neises A. (1994). Machining of holes developments in drilling technology. CIRP annals, 43(2), 551-561.
17. [17] Charukesh, S., Gobivel, K., Gowtham, K., Saikiran, E., Niveshith, V.K. (2023). Understanding the process parameters on milling of Ti/B4C metal matrix composite. Materials Today: Proceedings.
18. [18] Li, G., Munir, K., Wen, C., Li, Y., Ding, S. (2020). Machinablility of titanium matrix composites (TMC) reinforced with multi-walled carbon nanotubes. Journal of Manufacturing Processes, (56), 131-146.
19. [19] Balaji, M., Rao, K.V., Rao, N.M., Murthy B.S.N. (2018). Optimization of drilling parameters for drilling of TI-6Al-4V based on surface roughness, flank wear and drill vibration. Measurement, (114), 332-339.
20. [20] Kamalizadeh, S., Niknam, S.A., Asgari, A., Balazinski, M. (2019). Tool wear characterization in high-speed milling of titanium metal matrix composites. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 100(9), 2901-2913.
21. [21] Niknam, S.A., Kamalizadeh, S., Asgari, A., Balazinski, M. (2018). Turning titanium metal matrix composites (Ti-MMCs) with carbide and CBN inserts. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 97(1), 253-265.
22. [22] Ramkumar, T., Selvakumar, M., Mohanraj, M., Chandrasekar, P. (2019). Experimental investigation and analysis of drilling parameters of metal matrix (Ti/TiB) composites. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, (41), 8.
23. [23] Ramulu, M, Branson, T, Kim, D.A. (2001). Study on the drilling of composite and titanium stacks. Compos Struct 54(1), 67–77.
24. [24] Selvakumar, M, Chandrasekar, P, Mohanraj, M, Ravisankar, B, Balaraju, J.N. (2015). Role of powder metallurgy processing and TiB reinforcement on mechanical response of Ti–TiB composites. J Mater Lett 144, 58–61.
25. [25] Pettersson, A., Magnusson, P., Lundberg, P., Nygren, M. (2005). Titanium–titanium diboride composites as part of a gradient armour material. International Journal of Impact Engineering, 32(1-4), 387-399.
26. [26] Makine Takım Endüstri A.Ş. (2025) https://www.makinatakim.com.tr/
27. [27] Kim, H. S. (2000). On the rule of mixtures for the hardness of particle reinforced composites. Materials Science and Engineering: A, 289(1-2), 30-33.
28. [28] Çiftçi, İ. (2005). Östenitik paslanmaz çeliklerin işlenmesinde kesici takım kaplamasının ve kesme hızının kesme kuvvetleri ve yüzey pürüzlülüğüne etkisi, Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 20(2), 205-209.
29. [29] Meral, G. (2010). AISI 1050 Malzemenin Delinmesinde Delme Parametrelerinin Kesme Kuvvetleri ve Delik Kalitesi Üzerindeki Etkisinin Araştırılması. Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 63-67.
30. [30] Demir, H., Özlü, B. (2009). Sertleştirilmiş 30MnVS6 Mikroalaşımlı Çeliğin Kesme Kuvvetleri Ve Yüzey Pürüzlülüğü Açısından İşlenebilirliğinin Araştırılması. Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fen Bilimleri Dergisi, 25(1), 262-271.
31. [31] Özlü, B., Akgün, M., Demir, H. (2022). Orta karbonlu DIN 41Cr4 Çeliğin Mikroyapısı, Sertliği ve İşlenebilirliği Üzerine Sıcak Dövme ve Soğutma Koşullarının Etkisinin Değerlendirilmesi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 38(1), 231-244.
32. [32] Tinga, S. (2019).AA6061 Matrisli B4C ve SiC Takviyeli Kompozit Malzemelerin Mekanik ve İşlenebilirlik Özelliklerinin Araştırılması. Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü. Ankara, 59-60.