Инженерные соотношения для расчетно-аналитического прогнозирования износа покрытий при трибологических испытаниях

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.

1. Белый А.В., Карпенко Г.Д., Мышкин Н.К. Структура и методы формирования износостойких поверхностных слоев. — М.: Машиностроение. — 1991

2. Freund L.B. and Suresh S. Thin Film Materials: Stress, Defect Formation and Surface Evolution. — Boston: Cambridge University Press. — 2009

3. Наноструктурные покрытия / под ред. А. Кавалейро, Д. де Хоссона. — М.: Техносфера. — 2011

4. Surface Engineering for Enhanced Performance against Wear / M. Roy (Ed.). — Wien: Springer-Verlag. — 2013. https://doi.org/10.1007/978-3-7091-0101-8_2

5. Способ нанесения износостойких покрытий и повышения долговечности деталей: патент РФ: RU2161661C1 (C23C14/5833). Опубл. 10.01.2001. / А.Н. Падеров, Ю.Г. Векслер

6. 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—313

7. 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—91

8. Панин В.Е., Панин А.В., Моисеенко Д.Д. «Шахматный» мезоэфект интерфейса в гетерогенных средах в полях внешних воздействий // Физ. мезомех. — 2006 (9), № 6, 5—15

9. Панин В.Е. Физическая мезомеханика материалов. Том 1; том 2. — Томск: ТГУ. — 2015

10. 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—80

11. Колесников 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-2020-11006

12. 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: 10.32864/0202-4977-2021-42-5-495-507

13. Oliver 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.1992.1564

14. Nanoindentation / Fischer-Cripps A.C. (Ed.). — New York: Springer-Verlag. — 2004. https://doi.org/10.1007/978-1-4757-5943-3

15. Колесников Ю.В., Морозов Е.М. Механика контактного разрушения. — М.: Изд-во ЛКИ. — 2007