пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2, г. Ростов-на-Дону 344038, Россия
Rostovskogo Strelkovogo Polka Narodnogo Opolcheniya Sq., 2, Rostov-on-Don 344038, Russia
пл. Гагарина, 1, г. Ростов-на-Дону 344003, Россия
Gagarin square, 1, Rostov-on-Don 344000, Russia
пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2, г. Ростов-на-Дону 344038, Россия
Rostovskogo Strelkovogo Polka Narodnogo Opolcheniya Sq., 2, Rostov-on-Don 344038, Russia
пл. Гагарина, 1, г. Ростов-на-Дону 344003, Россия
Gagarin square, 1, Rostov-on-Don 344000, Russia
пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2, г. Ростов-на-Дону 344038, Россия
Rostovskogo Strelkovogo Polka Narodnogo Opolcheniya Sq., 2, Rostov-on-Don 344038, Russia
пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2, г. Ростов-на-Дону 344038, Россия
Rostovskogo Strelkovogo Polka Narodnogo Opolcheniya Sq., 2, Rostov-on-Don 344038, Russia
Проведён анализ износостойкости композиционных TiN/AlN покрытий. Объектом исследования были многослойные 2D-нанокомпозиционные покрытия толщиной 0,8—4,0 мкм, нанесенные по вакуумной ионно-плазменной технологии на подложку из стали 40ХН2МА. Установлено, что в пределах каждого нитридного слоя покрытия содержит Ti:Al:N = 1:1:2 (ат. %). Структуру покрытий, морфологию дорожек трения, износ исследовали методом сканирующей электронной микроскопии. Твёрдость Н и модуль упругости Е покрытий определяли по стандартным методикам непрерывного индентирования, триботехнические характеристики (коэффициент трения m и объёмный износ J) — по схеме «шарик—диск» с круговой траекторией движения шарика-индентора. Анализ полученных данных позволил построить зависимость твёрдости покрытий от их элементного состава, а также показал, что механические характеристики и износостойкость покрытий, напыленных при более низкой температуре 300—350 °С, оказываются стабильно выше, чем напыленных при 400—450 °С. Установлено, что наибольшие значения износа J имеют покрытия с наименьшей толщиной. В связи с этим анализ влияния толщины покрытий d на их износостойкость проводили, привлекая расчётно-аналитическую модель, на основе которой построены диаграммы критических состояний покрытий TiN/AlN. Диаграммы позволили рассчитать критическое значение толщины покрытия dmin, при котором изменяется механизм износа. Получено, что при тонком покрытии (d < dmin), расположенном на более «мягкой» (пластичной) подложке, происходит ускоренный износ по абразивно-механическому механизму в силу прогиба и растрескивания покрытия. При относительно толстом покрытии (d ³ dmin) изнашивание происходит по механизму истирания, что для износостойких покрытий существенно продлевает срок службы.
The aim of this work was to analyze the wear resistance of composite ion-plasma coatings and substantiate methodological approaches for its prediction. The object of the study was multilayer 2D-nanocomposite coatings of the TiN/AlN system with a total thickness of 0.8—4.0 μm. The coatings were applied using vacuum ion-plasma technology onto a substrate made of 40CrNiMo structural steel with a sorbite structure and a hardness of HRC 28—30. Within each nitride layer, the composition of the components was close to equiatomic, and for the coating as a whole it was Ti:Al:N = 1:1:2 (at. %). The structure of the coatings, the morphology of the friction tracks and the wear mechanisms were studied using high-resolution scanning electron microscopy. The mechanical characteristics of the coatings (hardness H and elastic modulus E) were determined using standard continuous indentation techniques. The tribological characteristics (friction coefficient m and volume wear J) were determined using the ball-on-disk sliding friction test with a circular trajectory of the indenter ball. The analysis of the obtained experimental data made it possible to construct a dependence of the coating hardness on their elemental composition and showed that the mechanical characteristics and wear resistance of the coatings sprayed at a lower temperature of 300—350 °C are consistently higher than those sprayed at 400—450 °C. In addition, it was found that the highest wear values J were observed for the coatings with the smallest thickness. In order to analyze the effect of the coating thickness d on their wear resistance, a computational and analytical model for predicting coating wear during tribological tests was used. On its basis, diagrams of critical states of ion-plasma composite TiN/AlN coatings were constructed, which made it possible to calculate the critical value of the coating thickness dmin, at which the mechanism of coating wear during friction changes. With a relatively thin coating (d < dmin), located on a “softer” (plastic) substrate, during tribotesting, accelerated wear of the coating occurs by the abrasive-mechanical mechanism due to the deflection of the coating and its subsequent cracking, peeling and chipping. With a relatively thick coating (d ³ dmin), wear occurs by the abrasion mechanism, which, with high hardness of the coating, is characterized by its significant wear resistance and significantly extends the service life.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.