Влияние структуры на триботехнические характеристики многослойных ионно-плазменных покрытий CrAlSiN/Cr

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.

1. Chim 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.2009.03.189

2. Lin 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.2007.12.006

3. Munz W.D. Titanium Aluminum Nitride Films – A New Alternative to TiN Coatings // J. Vac. Sci. Technol. A. — 1986 (4), 2717—2725. DOI: 10.1116/1.573713

4. Veldhuis 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.2008.12.013

5. Nanostructured Coatings / eds. by A. Cavaleiro, J.T.M. De Hosson. — New York: Springer. — 2006. DOI: 10.1007/978-0-387-48756-4

6. Drnovšek 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.2019.05.044

7. Chang 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.2015.06.090

8. Chang 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.2015.02.022

9. Bobzin 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.2024.130236

10. Chen 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.1511.04092

11. Inspektor 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.2014.01.031

12. Stueber 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.2008.08.111

13. Holleck 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)80012-3

14. Penkov 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.5b04231

15. Khadem 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/s40544-017-0181-7

16. Liu Y., Yu S., Shi Q., Ge X., and Wang W. Multilayer Coatings for Tribology: A Mini Review // Nanomaterials. — 2022 (12), 1388. DOI: 10.3390/nano12091388

17. Колесников 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_26

18. 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_22-34