fwjТрение и и износTitle in english0000-00000000-0000AGU10.32864/0202-4977-2026-47-4-321-332fwj-128Research ArticleСтатьиВлияние структуры на триботехнические характеристики многослойных ионно-плазменных покрытий CrAlSiN/CrInfluence of Structure on the Tribotechnical Characteristics of Multilayer Ion-Plasma Coatings CrAlSiN/CrКолесниковВ. И.KolesnikovV. I.

пл. Ростовского стрелкового полка народного ополчения, 2, г. Ростов-на-Дону 344038

Rostovskogo Strelkovogo Polka Narodnogo Opolcheniya Sq., 2, Rostov-on-Don 344038

КолесниковИ. В.KolesnikovI. V.

пл. Ростовского стрелкового полка народного ополчения, 2, г. Ростов-на-Дону 344038

Rostovskogo Strelkovogo Polka Narodnogo Opolcheniya Sq., 2, Rostov-on-Don 344038

ИваночкинП. Г.IvanochkinP. G.

пл. Ростовского стрелкового полка народного ополчения, 2, г. Ростов-на-Дону 344038

Rostovskogo Strelkovogo Polka Narodnogo Opolcheniya Sq., 2, Rostov-on-Don 344038

АникинаЕ. Д.AnikinaE. D.

пл. Ростовского стрелкового полка народного ополчения, 2, г. Ростов-на-Дону 344038

Rostovskogo Strelkovogo Polka Narodnogo Opolcheniya Sq., 2, Rostov-on-Don 344038

al.anikina2002@mail.ruМантуровД. С.ManturovD. S.

пл. Ростовского стрелкового полка народного ополчения, 2, г. Ростов-на-Дону 344038

Rostovskogo Strelkovogo Polka Narodnogo Opolcheniya Sq., 2, Rostov-on-Don 344038

Ростовский государственный университет путей сообщенияРоссияRostov State Transport UniversityRussian Federation202601102026474321332Copyright © AGU, 20262026AGUAGUhttps://fwj.ejournal.by/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://fwj.ejournal.by/jour/article/view/128

Для повышения работоспособности нагруженных узлов трения технологических машин и транспортных средств предложено использование многослойных покрытий CrAlSiN/Cr, в которых Cr использовался в качестве подслоя и промежуточного слоя между слоями керамики CrAlSiN. Для получения покрытий на стали 40ХН была использована вакуумная установка BRV600. Режим испарения — дуговой трёхкатодный, с магнитной сепарацией. Получили покрытия двух типов: 1,25 мкм и 3,6 мкм. Микроструктуру покрытий на поперечных сечениях изучали методом сканирующей электронной микроскопии. Механические характеристики — методом непрерывного индентирования. Триботехнические испытания выполняли по схеме «шар-по-диску». Морфологию поверхности покрытия после триботехнических испытаний изучали методом оптической профилометрии. Благодаря периодической многослойной структуре CrAlSiN/Cr полученные покрытия продемонстрировали высокую твёрдость, хорошие характеристики сопротивления упругой и пластической деформации. Увеличение общей толщины покрытия и числа чередующихся ламелей CrAlSiN/Cr обеспечивает стабильные триботехнические характеристики (коэффициент трения равен 0,5 при нагрузках 5—10 Н) по сравнению с тонким вариантом (коэффициент трения достигает 0,6—0,7). Покрытия второго типа демонстрируют снижение интенсивности изнашивания в 3 раза, по сравнению с тонким покрытием, во всем диапазоне нагрузок 1—10 Н и при увеличении числа циклов до 1000, что подтверждает их существенно более высокую износостойкость. Выявлены стадии и виды износа при взаимодействии исследуемого покрытия с корундовым контртелом с учётом полученной трибограммы и морфологии поверхности дорожек трения.

To improve the performance of heavily loaded friction units in technological machinery and transport vehicles, the use of multilayer CrAlSiN/Cr coatings has been proposed, in which Cr was employed as a sublayer and as an intermediate layer between the ceramic CrAlSiN layers. The coatings were deposited on 40KhN steel using a BRV600 vacuum system. The evaporation regime was a three-cathode arc process with magnetic separation. Two types of coatings were obtained, with total thicknesses of 1.25 µm and 3.6 µm. The microstructure of the coatings in cross-section was examined by scanning electron microscopy. The mechanical properties were characterized by instrumented indentation (continuous indentation method). Tribological tests were carried out using a ball-on-disk configuration. The surface morphology of the coatings after tribological testing was studied by optical profilometry. Owing to the periodic multilayer CrAlSiN/Cr architecture, the coatings obtained exhibited high hardness and favorable resistance to elastic and plastic deformation. An increase in the overall coating thickness and the number of alternating CrAlSiN/Cr lamellae ensures stable tribological performance (a friction coefficient of 0.5 at loads of 5—10 N) compared to the thinner variant (where the friction coefficient reaches 0.6—0.7). Coatings of the second type demonstrate a threefold decrease in wear rate compared to the thin coating over the entire load range of 1—10 N and with an increase in the number of cycles up to 1000, which confirms their substantially higher wear resistance. The stages and types of wear during interaction of the investigated coating with the corundum counterbody were identified, taking into account the obtained tribogram and the morphology of the wear tracks.

многослойное покрытие CrAlSiN/Crслоистая структуракерамика CrAlSiNархитектура покрытиймеханические характеристикитриботехнические характеристикитрибограммаморфология дорожки трениястадии и виды изнашиванияmultilayer CrAlSiN/Cr coatinglayered structureCrAlSiN ceramicscoating architecturemechanical characteristicstribotechnical characteristicstribogrammorphology of the friction trackstages and types of wearReferencesChim Y.C., Ding X.Z., Zeng X.T., and Zhang S. Oxidation Resistance of TiN, CrN, TiAlN and CrAlN Coatings Deposited by Lateral Rotating Cathode Arc // Thin Solid Films. — 2009 (517), 4845—4849. DOI: 10.1016/j.tsf.2009.03.189Chim Y.C., Ding X.Z., Zeng X.T., and Zhang S. Oxidation Resistance of TiN, CrN, TiAlN and CrAlN Coatings Deposited by Lateral Rotating Cathode Arc // Thin Solid Films. — 2009 (517), 4845—4849. DOI: 10.1016/j.tsf.2009.03.189Lin J., Mishra B., Moore J.J., and Sproul W.D. A Study of the Oxidation Behavior of CrN and CrAlN Thin Films in Air Using DSC and TGA Analyses // Surf. Coat. Technol. — 2008 (202), 3272—3283. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2007.12.006Lin J., Mishra B., Moore J.J., and Sproul W.D. A Study of the Oxidation Behavior of CrN and CrAlN Thin Films in Air Using DSC and TGA Analyses // Surf. Coat. Technol. — 2008 (202), 3272—3283. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2007.12.006Munz W.D. Titanium Aluminum Nitride Films – A New Alternative to TiN Coatings // J. Vac. Sci. Technol. A. — 1986 (4), 2717—2725. DOI: 10.1116/1.573713Munz W.D. Titanium Aluminum Nitride Films – A New Alternative to TiN Coatings // J. Vac. Sci. Technol. A. — 1986 (4), 2717—2725. DOI: 10.1116/1.573713Veldhuis S.C., Dosbaeva G.K., and Yamamoto K. Tribological Compatibility and Improvement of Ma-chining Productivity and Surface Integrity // Tribology International. — 2009 (42), 1004—1010. DOI: 10.1016/j.triboint.2008.12.013Veldhuis S.C., Dosbaeva G.K., and Yamamoto K. Tribological Compatibility and Improvement of Machining Productivity and Surface Integrity // Tribology International. — 2009 (42), 1004—1010. DOI: 10.1016/j.triboint.2008.12.013Nanostructured Coatings / eds. by A. Cavaleiro, J.T.M. De Hosson. — New York: Springer. — 2006. DOI: 10.1007/978-0-387-48756-4Nanostructured Coatings / eds. by A. Cavaleiro, J.T.M. De Hosson. — New York: Springer. — 2006. DOI: 10.1007/978-0-387-48756-4Drnovšek A., Rebelo de Figueiredo M., Vo H., Xia A., Vachhani S.J., Kolozsvári S., Hosemann P., and Franz R. Correlating High Temperature Mechanical and Tribological Properties of CrAlN and CrAlSiN Hard Coatings // Surf. Coat. Technol. — 2019 (372), 361—368. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2019.05.044Drnovšek A., Rebelo de Figueiredo M., Vo H., Xia A., Vachhani S.J., Kolozsvári S., Hosemann P., and Franz R. Correlating High Temperature Mechanical and Tribological Properties of CrAlN and CrAlSiN Hard Coatings // Surf. Coat. Technol. — 2019 (372), 361—368. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2019.05.044Chang C.-C., Chen H.-W., Lee J.-W., and Duh J.-G. Development of Si-Modified CrAlSiN Nanocomposite Coating for Anti-Wear Application in Extreme Environment // Surf. Coat. Technol. — 2015 (284), 273—280. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2015.06.090Chang C.-C., Chen H.-W., Lee J.-W., and Duh J.-G. Development of Si-Modified CrAlSiN Nanocomposite Coating for Anti-Wear Application in Extreme Environment // Surf. Coat. Technol. — 2015 (284), 273—280. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2015.06.090Chang C.-C., Chen H.-W., Lee J.-W., and Duh J.-G. Influence of Si Contents on Tribological Characteristics of CrAlSiN Nanocomposite Coatings // Thin Solid Films. — 2015 (584), 46—51. DOI: 10.1016/j.tsf.2015.02.022Chang C.-C., Chen H.-W., Lee J.-W., and Duh J.-G. Influence of Si Contents on Tribological Characteristics of CrAlSiN Nanocomposite Coatings // Thin Solid Films. — 2015 (584), 46—51. DOI: 10.1016/j.tsf.2015.02.022Bobzin K., Möbius M.P., and Borowy J. Influence of Si Content on Cracking Behavior of CrAlSiN Coatings // Surface & Coatings Technology. — 2025 (516), 132668. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2024.130236Bobzin K., Möbius M.P., and Borowy J. Influence of Si Content on Cracking Behavior of CrAlSiN Coatings // Surface & Coatings Technology. — 2025 (516), 132668. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2024.130236Chen Z., Feng B., Xia Y., and Li G. Experimental and Numerical Analysis of Tribological Behavior of CrAl(Si)N Films During Scratch. — Preprint, 2015. DOI: 10.48550/arXiv.1511.04092Chen Z., Feng B., Xia Y., and Li G. Experimental and Numerical Analysis of Tribological Behavior of CrAl(Si)N Films During Scratch. — Preprint, 2015. DOI: 10.48550/arXiv.1511.04092Inspektor A. and Salvador P.A. Architecture of PVD Coatings for Metalcutting Applications: A Review // Surf. Coat. Technol. — 2014 (257), 138—153. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2014.01.031Inspektor A. and Salvador P.A. Architecture of PVD Coatings for Metalcutting Applications: A Review // Surf. Coat. Technol. — 2014 (257), 138—153. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2014.01.031Stueber M., Holleck H., Leiste H., Seemann K., Ulrich S., and Ziebert C. Concepts for the Design of Advanced Nanoscale PVD Multilayer Protective Thin Films // J. Alloys Compd. — 2009 (483), 321—333. DOI: 10.1016/j.jallcom.2008.08.111Stueber M., Holleck H., Leiste H., Seemann K., Ulrich S., and Ziebert C. Concepts for the Design of Advanced Nanoscale PVD Multilayer Protective Thin Films // J. Alloys Compd. — 2009 (483), 321—333. DOI: 10.1016/j.jallcom.2008.08.111Holleck H. and Schier V. Multilayer PVD Coatings for Wear Protection // Surface and Coating Technology. — 1995 (76–77), 328—336. DOI: 10.1016/0257-8972(95)80012-3Holleck H. and Schier V. Multilayer PVD Coatings for Wear Protection // Surface and Coating Technology. — 1995 (76–77), 328—336. DOI: 10.1016/0257-8972(95)80012-3Penkov O.V., Devizenko A.Y., Khadem M., Zubarev E.N., Kondratenko V.V., and Kim D.E. Toward Zero Micro/Macroscale Wear Using Periodic Nano-Layered Coatings // ACS Applied Materials and Interfaces. — 2015 (7), 18136—18144. DOI: 10.1021/acsami.5b04231Penkov O.V., Devizenko A.Y., Khadem M., Zubarev E.N., Kondratenko V.V., and Kim D.E. Toward Zero Micro/Macroscale Wear Using Periodic Nano-Layered Coatings // ACS Applied Materials and Interfaces. — 2015 (7), 18136—18144. DOI: 10.1021/acsami.5b04231Khadem M., Penkov O.V., Yang H.K., and Kim D.E. Tribology of Multilayer Coatings for Wear Reduction: A Review // Friction. — 2017 (5), 248—262. DOI: 10.1007/s40544-017-0181-7Khadem M., Penkov O.V., Yang H.K., and Kim D.E. Tribology of Multilayer Coatings for Wear Reduction: A Review // Friction. — 2017 (5), 248—262. DOI: 10.1007/s40544-017-0181-7Liu Y., Yu S., Shi Q., Ge X., and Wang W. Multilayer Coatings for Tribology: A Mini Review // Nanomaterials. — 2022 (12), 1388. DOI: 10.3390/nano12091388Liu Y., Yu S., Shi Q., Ge X., and Wang W. Multilayer Coatings for Tribology: A Mini Review // Nanomaterials. — 2022 (12), 1388. DOI: 10.3390/nano12091388Колесников В.И., Кудряков О.В., Варавка В.Н., Сидашов А.В., Колесников И.В., Мантуров Д.С., Воропаев А.И. Особенности структурно-фазового состояния и свойства вакуумных ионно-плазменных покрытий системы Cr–Al–Si–N // Физическая мезомеханика. — 2022 (25), № 6, 26—38. DOI: 10.55652/1683-805X_2022_25_6_26Kolesnikov V.I., Kudryakov O.V., Varavka V.N., Sidashov A.V., Kolesnikov I.V., Manturov D.S., Voropaev A.I. Features of the structural-phase state and properties of vacuum ionplasma coatings of the Cr–Al–Si–N system // Physical Mesomechanics. — 2022 (25), № 6, 26—38. DOI: 10.55652/1683-805X_2022_25_6_26 (in Russian)Кудряков О.В., Колесников В.И., Колесников И.В., Мантуров Д.С. Особенности деградации нитридных ионно-плазменных покрытий при трении скольжения // Физическая мезомеханика. — 2025 (28), № 3, 22—34. DOI: 10.55652/1683-805X_2025_28_3_22-34Kudryakov O.V., Kolesnikov V.I., Kolesnikov I.V., Manturov D.S. Features of degradation of nitride ion-plasma coatings during sliding friction // Physical Mesomechanics. — 2025 (28), № 3, 22—34. DOI: 10.55652/1683-805X_2025_28_3_22-34 (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.