Фрикционные свойства алмазоподобных углеродных пленок на подложке из стали 45

Цель работы — синтез алмазоподобных углеродных плёнок (АПУП) методом физического осаждения из паровой фазы, определение их фазового sp²/sp³ состава и исследование триботехнических характеристик системы из алмазоподобных углеродных слоёв и адгезионных подслоев на основе титана и нитрида титана к подложке из стали 45.

С помощью установки BRV600 с магнетронным распылением были получены две алмазоподобные углеродные плёнки: в водородной среде и без добавления в объём рабочей камеры водорода. Методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) в АПУП, синтезированных без добавления и с добавлением водорода в паровую фазу, определено отношение долей sp²/sp³ фаз, равное 0,02 и 0,20 соответственно. Обнаружено, что триботехнические характеристики АПУП зависят от соотношения в ней sp²/sp³ гибридизированных связей, а также состава газовой среды, используемой при синтезе плёнок. В частности показано, что взаимодействие тестового шара с исходной поверхностью плёнки, сформированной в паровой среде без атомов водорода, начинается с коэффициента трения около 0,45, а с поверхностью алмазоподобной плёнки, сформированной в среде водорода — 0,35. Обнаружено также, что начиная с 1000 циклов скольжения для обеих алмазоподобных плёнок в поверхностных слоях следов трения происходит графитизация поверхности, сопровождаемая трансформацией sp³ в sp² связи, что приводит к увеличению отношения долей sp²/sp³ фаз в следах трения обеих плёнок которое после 6×10³ циклов скольжения оказалось одинаковым для обеих плёнок, равным 2,0. При этом значении sp²/sp³ отношения коэффициент трения падает до значения 0,1.

1. Мышкин Н.К., Петроковец М.И. Трение, смазка, износ. Физические основы и инженерные приложения трибологии. — М.: Физматлит. — 2007

2. Акунец Е.Г., Гуцев Д.М., Кудрицкий В.Г., Максименко А.В., Царенко И.В. Влияние лазерной закалки на триботехнические свойства стали 45 // Трение и износ. — 2025 (46), № 2, 111—120 DOI: 10.32864/0202-4977-2025-46-2-111-120

3. Буяновский И.А., Хрущов М.М., Суляндзига Д.А., Самусенко В.Д. Влияние микроструктуры и состава легированных молибденом и вольфрамом вакуумных ионно-плазменных углеродных покрытий на их триботехнические характеристики при сухом трении и граничной смазке // Трение и износ. — 2025 (46), № 1, 26—39. DOI: 10.32864/0202-4977-2025-46-1-26-39

4. Dipen Kumar Rajak, Ashwini Kumar, Ajit Behera, and Pradeep L. Menezes Diamond-Like Carbon (DLC) Coatings: Classification, Properties, and Applications // Applied Sciences. — 2021 (11), no. 10, 4445. DOI: 10.3390/app11104445

5. Konicek A.R., Grierson D.S., Gilbert P.U.P.A., Sawyer W.G., A.V. Sumant, and Carpick R.W. Origin of Ultralow Friction and Wear in Ul-trananocrystalline Diamond // Physical Review Letters. — 2008, no. 100(23), 235502—235505. DOI: 10.1103/PhysRevLett.100.235502

6. Парфенов А.С., Шилов М.А., Смирнова А.И., Берёзина Е.В., Ткачев А.Г., Бурков А.А., Рожкова Н.Н., Усольцева Н.В. Влияние различных аллотропов углерода на трибологические и реологические характеристики модельных смазочных систем // Трение и износ. — 2021 (42), № 3, 338—349. DOI: 10.32864/0202-4977-2021-42-3-338-349

7. Williams O.A. Nanocrystalline Diamond // Diamond & Related Material. — 2011 (20), 621—640. DOI: 10.1016/j.diamond.2011.02.015

8. Rani R., Panda K., Kumar N., Sankaran K.J., Pandian R., Ficek M., Bogdanowicz R., Haenen K., Lin I.-N. Tribo-Environment Dependent Chemical Modification of Sliding Interfaces in Ul-trananocrystalline Diamond Nanowall Film: a Correlation with Friction and Wear // The Journal of Physical Chemistry C. — 2018 (122), 945—956. https://doi.org/10.1021/ACS.JPCC.7B10992

9. Kumar N., Sankaran K.J., Kozakov A.T., Sidashov A.V., Nicolskii A.V., Haenen K., and Kolesnikov V.I. Surface and Bulk Phase Analysis of the Tribolayer of Nanocrystalline Diamond Films Sliding Against Steel Balls // Diamond and Related Materials. — 2019 (97), 107472. DOI: 10.1016/j.diamond.2019.107472

10. Kumar N., Kozakov A.T., Sankaran K.J., Sidashov A.V., and Lin I.N. Controlled Atmosphere Dependent Tribological Properties of Thermally Annealed Ultrananocrystalline Diamond Films // Diamond and Related Materials. — 2019 (97), 107437. DOI: 10.1016/j.diamond.2019.05.022

11. Qingyuan Yu, Xinchun Chen, Chenhui Zhang, and Jianbin Luo. Influence Factors on Mechanisms of Superlubricity in DLC Films: A Review // Frontiers in Mechanical Engineering. — 2000 (6), no. 65. DOI: 10.3389/fmech.2020.00065

12. Yunhai Liu, Yixiao He, and Ligao Liu Atomic Effect and Mechanism of Different Hydrogen Content on Superlubricity Properties of H-DLC Films // Applied Surface Science. — 2025 (679), 161211. DOI: 10.1016/j.apsusc.2024.161211

13. Kozakov A.T., Kochur A.G., Kumar N., Panda K., Nikolskii A.V., and Sidashov A.V. Determination of sp2 and sp3 Phase Fractions on the Surface of Diamond Films from C1s, Valence Band X-ray Photoelectron Spectra and CKVV X-Ray-Excited Auger Spectra // Applied Surface Science. — 2021 (536), no. 12, 147807. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.147807

14. Brandon David and Kaplan Wayne D. Microstructural Characterization of Materials. — Chichester, England: John Wiley & Sons. — 2008. ISBN: 978-0-470-02785-1

15. Воропаев А.И., Колесников В.И., Кудряков О.В., Варавка В.Н, Колесников И.В., Лифарь М.С., Гуда С.А., Гуда А.А., Сидашов А.В. Покрытия DLC, стабилизированные азотом: оптимизация свойств и режимов нанесения с использованием алгоритмов рандомизированных деревьев и нейронных сетей // Физическая мезомеханика. — 2024 (27), № 4, 355—369. DOI: 10.55652/1683-805X_2024_27_2_16-32

16. Jablonski A. and Powell C.J. Comparisons of Practical Attenuation Lengths Obtained from Different Algorithms for Application in XPS // Surf. Sci. — 2002 (520), 78—96. DOI: 10.1016/S0039-6028(02)02267-7