fwjТрение и и износTitle in english0000-00000000-0000AGU10.32864/0202-4977-2024-45-2-171-182fwj-19Research ArticleСтатьиИнженерные соотношения для расчетно-аналитического прогнозирования износа покрытий при трибологических испытанияхEngineering Relationships for Computational and Analytical Prediction of Coating Wear During Tribological TestsКудряковО. В.KudryakovO. V.

пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2, Ростов-на-Дону 344038

пл. Гагарина, 1, Ростов-на-Дону 344003

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

Gagarin square 1, Rostov-on-Don, 344000

kudryakov@mail.ruКолесниковВ. И.KolesnikovV. I.

пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2, Ростов-на-Дону 344038

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

 

МантуровД. С.ManturovD. S.

пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2, 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, Ростов-на-Дону 344038

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

ВаравкаВ. Н.VaravkaV. N.

пл. Гагарина, 1, Ростов-на-Дону 344003

Gagarin square 1, Rostov-on-Don, 344000

Ростовский государственный университет путей сообщения; Донской государственный технический университетРоссияRostov State Transport University; Don State Technical UniversityRussian FederationРостовский государственный университет путей сообщенияРоссияRostov State Transport UniversityRussian FederationДонской государственный технический университетРоссияDon State Technical UniversityRussian Federation202426092026452171182Copyright © AGU, 20262026AGUAGUhttps://fwj.ejournal.by/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://fwj.ejournal.by/jour/article/view/19

В работе поставлена задача определения условий трибологических испытаний покрытий, в которых покрытие реализует свой потенциал физико-механических и трибологических свойств независимо от подложки. Использована стандартная методика трибологических испытаний на машине трения по схеме «штифт-пластина» с круговым движением сферического штифта-индентора. Приведены экспериментальные данные исследования структуры и свойств вакуумных ионно-плазменных нитридных покрытий TiN, TiAlN, CrAlSiN толщиной 0,8—4,0 мкм, нанесённых на пластинчатые стальные образцы, предназначенные для испытаний на машине трения. Процесс изнашивания покрытий рассмотрен с позиций механики контактного разрушения и теорий усталости. Предложена расчётно-аналитическая модель для количественной оценки параметров контакта и изнашивания при испытаниях на трение: размера контактной площадки, глубины контактного сближения, глубины пластической зоны, напряжений в покрытии, предела усталости, критической толщины покрытия, исключающей его прогиб. Для оценки износа покрытий в этом случае рекомендовано использование моделей усталостного разрушения с построением кривой усталости Велера и определением предела усталости на основе теории Муроками-Эндо. Реализация рекомендованного подхода выполнена для исследованных нитридных покрытий с использованием базы собственных экспериментальных данных.

The work sets the task of determining the conditions for tribological testing of coatings, in which the coating realizes its potential of physical, mechanical and tribological properties regardless of the substrate. A standard method of tribological testing was used on a friction machine according to the “pin-disk” scheme with a circular motion of a spherical indenter pin. Experimental data are presented on the study of the structure and properties of vacuum ion-plasma nitride coatings TiN, TiAlN, CrAlSiN. The coatings had a thickness of 0.8–4.0 microns and were applied to plate steel samples intended for testing in a friction machine. The wear process of coatings is considered from the perspective of contact fracture mechanics and fatigue theories. A calculation and analytical model is proposed for quantitative assessment of contact and wear parameters during friction tests: the size of the contact area; the depth of contact approach; the depth of the plastic zone; stresses in the coating; fatigue limit; critical thickness of the coating, which excludes its deflection. To assess the wear of coatings in this case, it is recommended to use fatigue failure models with the construction of a Woehler fatigue curve and determination of the fatigue limit based on the Murokami-Endo theory. The implementation of the recommended approach was carried out for the nitride coatings using a database of our own experimental data.

ионно-плазменная технологиянитридные покрытиясканирующая электронная микроскопияфизико-механические свойстватрибологические свойстваиспытания на износостойкостьмеханизмы износа покрытийтрение скольжениямеханика контактного разрушенияусталостьion plasma technologynitride coatingsscanning electron microscopyphysical and mechanical propertiestribological propertieswear resistance testscoating wear mechanismssliding frictioncontact fracture mechanicsfatigueReferencesБелый А.В., Карпенко Г.Д., Мышкин Н.К. Структура и методы формирования износостойких поверхностных слоев. — М.: Машиностроение. — 1991Belyy A.V., Karpenko G.D., Myshkin N.K. Struktura i metody formirovaniya iznosostoykikh poverkhnostnykh sloyev. — M.: Mashinostroyeniye. — 1991 (in Russian)Freund L.B. and Suresh S. Thin Film Materials: Stress, Defect Formation and Surface Evolution. — Boston: Cambridge University Press. — 2009Freund L.B. and Suresh S. Thin Film Materials: Stress, Defect Formation and Surface Evolution. — Boston: Cambridge University Press. — 2009Наноструктурные покрытия / под ред. А. Кавалейро, Д. де Хоссона. — М.: Техносфера. — 2011Cavaleiro A. and De Hosson J.T. Nanostructure Coatings. — New York: Springer Science+Business Media, LLC. — 2006Surface Engineering for Enhanced Performance against Wear / M. Roy (Ed.). — Wien: Springer-Verlag. — 2013. https://doi.org/10.1007/978-3-7091-0101-8_2Surface Engineering for Enhanced Performance against Wear / M. Roy (Ed.). — Wien: SpringerVerlag. — 2013. https://doi.org/10.1007/978-3-7091-0101-8_2Способ нанесения износостойких покрытий и повышения долговечности деталей: патент РФ: RU2161661C1 (C23C14/5833). Опубл. 10.01.2001. / А.Н. Падеров, Ю.Г. ВекслерSposob naneseniya iznosostoykikh pokrytiy i povysheniya dolgovechnosti detaley: patent RF: RU2161661C1 (C23C14/5833). Opubl. 10.01.2001. / A.N. Paderov, Yu.G. Veksler (in Russian)Кирюханцев-Корнеев Ф.В., Шевейко А.Н., Петржик М.И. Пути повышения адгезионной прочности твердых износостойких наноструктурных покрытий в системе Ti–B–(Cr, Si, C)–N // Физикохимия поверхности и защита материалов. — 2019 (55), № 3, 304—313Kiryukhantsev-Korneyev F.V., Sheveyko A.N., Petrzhik M.I. Puti povysheniya adgezionnoy prochnosti tverdykh iznosostoykikh nanostrukturnykh pokrytiy v sisteme Ti–B–(Cr, Si, C)–N // Fizikokhimiya poverkhnosti i zashchita materialov. — 2019 (55), № 3, 304—313 (in Russian)Major L., Major R., Kot M., Lackner J.M., and Major B. Ex situ and in situ Nanoscale Wear Mechanisms Characterization of Zr/ZrxN Tribological Coatings // Wear. — 2018 (404–405), 82—91Major L., Major R., Kot M., Lackner J.M., and Major B. Ex situ and in situ Nanoscale Wear Mechanisms Characterization of Zr/ZrxN Tribological Coatings // Wear. — 2018 (404–405), 82—91Панин В.Е., Панин А.В., Моисеенко Д.Д. «Шахматный» мезоэфект интерфейса в гетерогенных средах в полях внешних воздействий // Физ. мезомех. — 2006 (9), № 6, 5—15Panin V.Ye., Panin A.V., Moiseyenko D.D. «Shakhmatnyy» mezoefekt interfeysa v geterogennykh sredakh v polyakh vneshnikh vozdeystviy // Fiz. mezomekh. — 2006 (9), № 6, 5—15 (in Rus-sian)Панин В.Е. Физическая мезомеханика материалов. Том 1; том 2. — Томск: ТГУ. — 2015Panin V.Ye. Fizicheskaya mezomekhanika materialov. Tom 1; Tom 2. — Tomsk: TGU. — 2015 (in Russian)Łępicka M., Grądzka-Dahlke M., Pieniak D., Pasierbiewicz K., and Niewczas A. Tribological Performance of Titanium Nitride Coatings: A Comparative Study on TiN-Coated Stainless Steel and Titanium Alloy // Wear. — 2019 (422–423), 68—80Łępicka M., Grądzka-Dahlke M., Pieniak D., Pasierbiewicz K., and Niewczas A. Tribological Performance of Titanium Nitride Coatings: A Comparative Study on TiN-Coated Stainless Steel and Titanium Alloy // Wear. — 2019 (422–423), 68—80Колесников В.И., Кудряков О.В., Забияка И.Ю., Новиков Е.С., Мантуров Д.С. Структурные аспекты износостойкости вакуумных ионно-плазменных покрытий // Физическая мезомеханика — 2020 (23), № 1, 62—77. DOI: 10.24411/1683-805X-2020-11006Kolesnikov V.I., Kudryakov O.V., Zabiyaka I.Yu., Novikov E.S., and Manturov D.S. Structural Aspects of Wear Resistance of Coatings Deposited by Physical Vapor Deposition // Physical Mesomechanics. — 2020 (23), no. 6, 570—583. DOI: 10.1134/S1029959920060132)Колесников В.И., Кудряков О.В., Варавка В.Н., Мантуров Д.С., Новиков Е.С. Влияние адгезионных свойств вакуумных ионноплазменных покрытий TiAlN на износостойкость при трении // Трение и износ. — 2021 (42), № 5, 495—507. DOI: 10.32864/0202-4977-2021-42-5-495-507Kolesnikov V.I., Kudryakov O.V., Varavka V.N., Manturov D.S., and Novikov E.S. Relationship between the Adhesive Properties of Vacuum IonPlasma TiAlN Coatings and Wear Resistance in Friction // Journal of Friction and Wear. — 2021 (42),no. 5, 317—326. DOI: 10.3103/S106836662105007XOliver W.C. and Pharr G.M. An Improved Technique for Determining Hardness and Elastic Modulus Using Load and Displacement Sensing Indentation Experiments // Journal of Materials Research. — 1992 (7), no. 6, 1564—1583. https://doi.org/10.1557/JMR.1992.1564Oliver W.C. and Pharr G.M. An Improved Tech-nique for Determining Hardness and Elastic Modu-lus Using Load and Displacement Sensing Indenta-tion Experiments // Journal of Materials Re-search. — 1992 (7), no. 6, 1564—1583. https://doi.org/10.1557/JMR.1992.1564Nanoindentation / Fischer-Cripps A.C. (Ed.). — New York: Springer-Verlag. — 2004. https://doi.org/10.1007/978-1-4757-5943-3Nanoindentation / Fischer-Cripps A.C. (Ed.). — New York: Springer-Verlag. — 2004. https://doi.org/10.1007/978-1-4757-5943-3Колесников Ю.В., Морозов Е.М. Механика контактного разрушения. — М.: Изд-во ЛКИ. — 2007Kolesnikov Yu.V., Morozov Ye.M. Mekhanika kontaktnogo razrusheniya. — M.: Izd-vo LKI. — 2007 (in Russian)

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