Том 23 (2020)
- Номер 1 (февраль 2020)
- Номер 2 (апрель 2020)
- Номер 3 (июнь 2020)
- Номер 4 (август 2020)
- Номер 5 (октябрь 2020)
- Номер 6 (декабрь 2020)
Структурные аспекты износостойкости вакуумных ионно-плазменных покрытий
В.И. Колесников, О.В. Кудряков, И.Ю. Забияка, Е.С. Новиков, Д.С. Мантуров1Ростовский государственный университет путей сообщения, Ростов-на-Дону, 344038, Россия,
УДК 621.793.1 (620.18 + 620.178.162)
DOI 10.24411/1683-805X-2020-11006
Представлены результаты исследований покрытий двух нитридных систем TiAlN и CrAlSiN. Покрытия толщиной 0.8–4.0 мкм получали путем вакуумного осаждения по ионно-плазменной технологии. Одной из особенностей работы является использование азотированной и цементованной стальных поверхностей в качестве подложек при нанесении покрытий. В качестве вариативного признака использовалась различная морфология структуры покрытий: гомогенная монослойная, многослойная с различной толщиной слоев и гетерогенная многофазная. Методами индентирования при различных нагрузках исследован комплекс механических свойств покрытий, включающий твердость Н и модуль упругости Е, а также специальных свойств, характеризующих сопротивление упругой H/E и пластической H3/E2 деформации. Исследована применимость PVD-покрытий для повышения износостойкости шлицевых сопряжений тяжело нагруженных узлов трения. Проведен комплекс трибологических испытаний покрытий на машине трения при нагрузке, сопоставимой с рабочими в контактной зоне шлицевых соединений. Установлено, что многослойное покрытие имеет более высокие механические характеристики, чем монослойное. Прочностные характеристики многослойного покрытия в сочетании с твердой подложкой возрастают по мере снижения толщины слоев. Установлено, что наиболее структурно-чувствительной механической характеристикой является сопротивление пластической деформации H3/E2, которое существенно возрастает при переходе толщины слоя в нанодиапазон (<100 нм). Твердость Н и сопротивление упругой деформации H/E от толщины слоя зависят слабо. Показано, что структура покрытий, в отличие от механических свойств, не всегда является значимым параметром износостойкости. В условиях проведенных испытаний доминирующим фактором оказываются механизмы износа. Показано, что покрытия системы TiAlN сравнительно быстро деградируют и изнашиваются, т.к. испытывают окислительный износ. Покрытия CrAlSiN в тех же условиях испытаний подвергаются износу по усталостному механизму. Гетерогенная многофазная наноструктура этих покрытий обеспечивает им высокие механические характеристики и износостойкость при жестком трении.
Ключевые слова: PVD-покрытия, механические свойства покрытий, износостойкость покрытий, трибологические испытания, индентирование, электронная микроскопия, энергодисперсионный анализ
Structural aspects of wear resistance of coatings produced by ion vapor deposition
This study examines TiAlN and CrAlSiN coatings with a thickness of 0.8–4.0 mm obtained by ion vapor deposition on nitrided and cemented steel substrates. The coatings have different structural morphology: homogeneous monolayer, multilayer with different layer thicknesses, and heterogeneous multiphase structure. A range of coating mechanical properties, including hardness H, elastic modulus E, as well as special properties characterizing the resistance to elastic H/E and plastic H3/E2 deformation is studied by indentation testing at different loads. An applied goal of the research is to assess the application of PVD coatings for increasing the wear resistance of spline joints in heavy loaded friction assemblies. Tribological tests were conducted on a friction machine at a load comparable to the working loads in the contact zone of spline joints. It was found that a multilayer coating has better mechanical characteristics than a monolayer one. The strength of a multilayer coating deposited on a solid substrate increases with decreasing layer thickness. The most structure-sensitive mechanical characteristic is the plastic deformation resistance H3/E2, which increases considerably at a nanoscale layer thickness (<100 nm), while the hardness H and elastic deformation resistance H/E depend weakly on the layer thickness. Tribological test results show that the structure of coatings, in contrast to their mechanical properties, is not always a significant wear resistance parameter. The dominant factor during testing is the wear mechanisms. TiAlN coatings rapidly degrade and wear out due to oxidative wear. CrAlSiN coatings under the same test conditions wear out by the fatigue mechanism. The coatings with heterogeneous multiphase nanostructure exhibit the best mechanical properties and high wear resistance under severe friction conditions.
Keywords: PVD coatings, mechanical properties of coatings, wear resistance of coatings, tribological tests, indentation, electron microscopy, energy dispersive analysis
стр. 62 – 77
Образец цитирования: