Механизмы износа и методы регулирования износостойкости нанокомпозиционных покрытий TiN/AlN трибологического назначения

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 d_min, при котором изменяется механизм износа. Получено, что при тонком покрытии (d < d_min), 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 d_min) изнашивание происходит по механизму истирания, что для износостойких покрытий существенно продлевает срок службы.

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

2. Белый А.В., Карпенко Г.Д., Мышкин Н.К. Структура и методы формирования износо-стойких поверхностных слоев. — М.: Машино-строение. — 1991

3. 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

4. Наноструктурные покрытия / под ред. А. Ка-валейро, Д. де Хоссона. — М.: Техносфера. — 2011

5. Колесников В.И., Кудряков О.В., Воропа-ев А.И., Колесников И.В., Варавка В.Н., Ли-фарь М.С., Гуда А.А., Мантуров Д.С., Новиков Е.С. Особенности формирования и прогнозиро-вания триботехнических свойств ионно-плазменных алмазоподобных покрытий при стабилизации азотом // Трение и износ. — 2024 (45), № 1, 16—28. DOI: 10.32864/0202-4977-2024-45-1-16-28

6. Ильин А.А., Плихунов В.В., Петров Л.М., Спектор В.С. Вакуумная ионно-плазменная об-работка. — М.: Альфа-М:ИНФРА-М. — 2023

7. Погребняк А.Д., Комаров Ф.Ф., Береснев В.М., Константинов С.В., Салищев Г.А. Многоком-понентные и высокоэнтропийные сплавы и нит-ридные покрытия на их основе. — М.: ЛЕНАНД. — 2021

8. Криштал М.М., Ясников И.С., Полунин В.И., Филатов А.М., Ульяненков А.Г. Сканирующая электронная микроскопия и рентгеноспектраль-ный микроанализ в примерах практического применения / под ред. М.М. Криштала. — М.: Техносфера. — 2009

9. Головин Ю.И. Наноиндентирование и его воз-можности. — М.: Машиностроение. — 2009

10. ГОСТ 8.748-2011 (ИСО 14577-1:2002). Метал-лы и сплавы. Измерение твердости и других характеристик материалов при инструмен-тальном индентировании. Часть 1: Метод испытаний.

11. ГОСТ Р 50779.25-2005 (ИСО 3494:1976). Ста-тистические методы. Статистическое пред-ставление данных. Мощность тестов для средних и дисперсий.

12. ГОСТ Р ИСО 16269-4-2017. Статистические методы. Статистическое представление дан-ных. Часть 4: Выявление и обработка выбро-сов.

13. Кудряков О.В., Колесников В.И., Ковале-ва И.Н., Колесников И.В., Мантуров Д.С. Рас-четно-аналитическое прогнозирование износа покрытий при трибологических испытаниях на основе моделей контактно-усталостного раз-рушения // Трение и износ. — 2024 (45), № 3, 262—274. DOI: 10.32864/0202-4977-2024-45-3-262-274

14. Колесников Ю.В., Морозов Е.М. Механика контактного разрушения. — М.: Издательство ЛКИ. — 2007