Mechanical Analysis of PEEK Samples Coated Using PVD Method Examining the Features

Abstract

Polymer materials are widely used in industry, especially as different machine elements. In the environments in which they are used, their abrasion resistance is very low compared to metal materials, especially when it comes to chemical environments. Therefore, if polymer materials can be coated with elements that are more resistant to these environments, their strength will be much higher. In this study, coating of PEEK (polyether ether ketone), which is not encountered in the literature, with magnetic field sputtering method, which is one of the PVD methods, was carried out in order to increase the strength. Three pure PEEK samples with a square section of 30x30 mm² and a thickness of 3 mm were used as the base material. The surface of the samples was polished with 400, 600 and 1200 grit sandpapers, from coarse to fine grain, respectively, until the surface roughness value was Ra = 0.248. Then, PEEK samples were coated with one VN and the other with CrY(V)N using the magnetic field sputtering method, which is one of the PVD (Physical Vapor Deposition) coating methods. After the coating process, hardness and abrasion tests were applied to the samples. As a result, it was observed that the hardness value of the VN-coated PEEK sample increased by 34% compared to the pure PEEK sample, while the hardness value of the CrY(V)N-coated PEEK sample increased by approximately 40%. As a result of the increase in the load related to the wear test, the wear losses in the samples also increased. The highest mass loss was observed in the CrY(V)N and VN coated samples.

Keywords

• PEEK
• Physical Vapor Deposition Method
• Ceramic Coating
• Mechanical Properties

PVD Yöntemi Kullanılarak Kaplanan PEEK Numunelerin Mekanik Özelliklerinin İncelenmesi

Abstract

Polimer malzemeler endüstride özellikle farklı makine elemanları olarak yaygın bir şekilde kullanılmaktadırlar. Kullanıldıkları ortamlarda, metal malzemelere kıyasla aşınma dayanımları özellikle kimyasal ortamlar da söz konusu olduğunda oldukça düşük olmaktadır. Dolayısı ile polimer malzemeler, bu ortamlara daha dayanıklı elementler ile kaplanabilirlerse dayanımları çok daha yüksek olacaktır. Bu çalışmada, dayanımı arttırabilmek amacıyla literatürde rastlanılmayan PEEK (polieter eter keton)’un PVD yöntemlerinden biri olan manyetik alan sıçratma yöntemi ile kaplaması gerçekleştirilmiştir. Altlık malzeme olarak 30x30 mm² boyutlarında kare kesitli, 3 mm kalınlığında 3 adet saf PEEK numuneler kullanılmıştır. Numunelerin yüzeyi, kalın taneliden ince taneliye doğru sırası ile 400, 600 ve 1200 numara kum zımparası ile yüzey pürüzlülük değeri ortalama Ra=0.248 olana kadar parlatılmıştır. Daha sonra PEEK numuneler PVD (Fiziksel Buhar Biriktirme) kaplama yöntemlerinden olan manyetik alanda sıçratma yöntemi kullanılarak biri VN diğeri ise CrY(V)N ile kaplanmıştır. Kaplama işleminden sonra numunelere sertlik ve aşınma testi uygulanmıştır. Sonuç olarak, saf haldeki PEEK numuneye göre VN kaplanmış PEEK numunenin sertlik değerinin %34 arttığı, CrY(V)N kaplanmış PEEK numunede ise sertlik değerinin yaklaşık %40 arttığı görülmüştür. Aşınma deneyi ile ilgili olarak yükteki artış sonucunda, numunelerde aşınma kayıpları da artmıştır. En yüksek kütle kaybının CrY(V)N ve VN kaplı numunede olduğu görülmüştür.

Keywords

• PEEK
• Fiziksel Buhar biriktirme
• Seramik kaplama
• Mekanik özellikler

References

1. Arslan E., Totik Y., Demirci E., Vangölü Y., Alsaran A., Efeoğlu İ., 2009. High Temperature Wear Behavior of Aluminum Oxide Layers Produced by AC Micro Arc Oxidation. Surface and Coatings Technology,204,829-833
2. Baptista A, Pinto G, Silva F.J.G, Ferreira A.A., Pinto A.G., Sousa F.C., 2021. Wear Characterization of Chromium PVD Coatings on Polymeric Substrate for Automotive Optical Components.Coatings,11,555
3. Baragetti S, 2007. Fatigue Resistance of Steel and Titanium PVD Coated Spur Gears. International Journal of Fatigue,1893–1903
4. Bülbül F, 2006. Darbeli-DC Manyetik Alanda Sıçratma Yöntemi ile Kaplanan TiB2 ve Me-DLC Filmlerinin Mekanik, Yapısal ve Tribolojik Özelliklerinin Araştırılması, Atatürk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi (Basılmış).
5. Evrensel D, 2021. PVD Tekniği Kullanılarak Farklı Seramik Malzemelerle Kaplanmış Segmanların Aşınma Davranışlarının İncelenmesi, O.M.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi (Basılmış).
6. Janoss B., 2003. PVD/CVD Coatings Enhance Stamping and Forming of Stainless Steels, Multi Arc inc NJ, 42: 1-9 .
7. Lin J. , Wei R. , Bitsis D. C., Lee P. M.,2016. Development and Evaluation of Low Friction TiSiCN Nanocomposite Coatings for Piston Ring Applications. Surface and Coatings Technology, 298, 121-131.
8. Miao Q., Cui C.E., Pan J.D., 2007. CrN–TiN Multilayer Coating on Magnesium Alloy AZ91 by Arc-Glow Plasma Depositing Process, Surface and Coatings Technology, 201 5077–5080.

9. Oktay G, 2007. Katodik Ark FBB Yöntemi ile Ti6al4v Altlık Malzemesi Üzerine Kaplanmış Magnezyumun Morfolojisine Bias Geriliminin Etkisi, İ.T.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi (Basılmış).
10. Özgür A.E., Yalçın B., Koru M. 2008. Investigation of the Wear Performance and Thermal Diffusivity Properties of M41 Tools Steel Coated with Various Film Coatings, Materials and Design, Online
11. Özkara İ., Baydoğan M., 2009. Mikro Ark Oksıdasyon İşleminde Voltaj Uygulama Süresinin 2024 Kalite Alüminyum Alaşımının Morfolojik Özelliklerine ve Aşınma Direncine Etkisi. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS’09), 13-15 Mayıs 2009, Karabük, Türkiye.
12. Paulitscha P.H. Mayrhofer W.D., Münz M., 2008. Structure and Mechanical Properties of CrN/TiN Multilayer Coatings Prepared by a Combined HIPIMS/UBMS Deposition Technique. Thin Solid Films, online.
13. Reichelt K. and Jiang X., 1990. The Preparation of TİN Films by Phsical Vapour Deposation Methods, Thin Solid Films, s 91-92, 110-125, 191.
14. Rozario A., Baumann C., Shah R.,2019. The Influence of Piston Ring Coating on the Wear and Friction Generated During Linear Oscillation. Lubricants, 7(1), 8.
15. Savaş S, 2010.Manyetik Alanda Sıçratma Metodu ile Üretilen TiALN Kaplamaların Yapısal, Mekanik ve Tribolojik Özelliklerinin İncelenmesi, Erciyes Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi(Basılmış).
16. Uzun M., Usca Ü., Munis M., 2018. Different Ratios Crc Particle-Reinforced Cu Matrix Composite Materials And İnvestigation of Wear Performance. Journal of Engineering Research and Application.
17. Uzun M., Usca Ü., Kuntoğlu M., Şap E., Giasin K., Pimenow D., 2021. Tribological Aspects, Optimization And Analysis Of Cu-B-Crc Composites Fabricated by Powder Metallurgy. Materials 2021,
18. Zhang D, Zuo, X. Wang Z, Li Hao, Chen R, 2020.Wang A. Ke P., 2020.Comparative Study on Protective Properties of CrN Coatings on the ABS Substrate by DCMS and HiPIMS Techniques. Surface and Coatings Tecnology, 394 ,125890