Сравнительный анализ трибологических характеристик многослойных металлонитридных систем CrAlSiN/Cr и CrAlSiN/Ti

Рассмотрены многослойные покрытия структуры CrAlSiN/Cr и CrAlSiN/Ti. Отличительной особенностью этих покрытий является технология их нанесения: дуговое трехкатодное распыление для системы CrAlSiN/Cr и гибридная технология катодно-дугового испарения CrAlSiN и магнетронного распыления Ti. Образцы имели различную архитектуру покрытия, толщину и морфологическую структуру. Проведены трибологические испытания этих покрытий, которые продемонстрировали высокую износостойкость образцов покрытия CrAlSiN/Cr с коэффициентом трения примерно 0,30…0,50. Покрытия системы CrAlSiN/Ti имели малый коэффициент трения (~0,15) и сравнительно высокий износ. Для оценки износостойкости и анализа механизма изнашивания проведено морфологическое исследование поверхности дорожек трения. У покрытия CrAlSiN/Cr преобладающим оказалось усталостное изнашивание, характеризуемое появлением микротрещин в дорожке трения, у покрытия CrAlSiN/Ti — абразивное изнашивание со следами смятия и микрорезания. По результатам исследования многослойных композиционных металлонитридных ионно-плазменных покрытий при сухом трении установлено, что более износостойким является покрытие CrAlSiN/Cr, слои которого имеют более высокие упругие свойства.
EDN: XWLGBA, https://elibrary/xwlgba

Литература

[1] Veprek S. The search for novel, superhard materials. J. Vac. Sci. Technol. A, 1999, vol. 17, no. 5, pp. 2401–2420, doi: https://doi.org/10.1116/1.581977

[2] Zhang S., Wu W., Chen W. et al. Structural optimisation and synthesis of multilayers and nanocomposite AlCrTiSiN coatings for excellent machinability. Surf. Coat. Technol., 2015, 277, pp. 23–29, doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2015.07.033

[3] Yu D., Wang C., Cheng X. et al. Microstructure and properties of TiAlSiN coatings prepared by hybrid PVD technology. Thin Solid Films, 2009, vol. 517, no. 17, pp. 4950–4955, doi: https://doi.org/10.1016/j.tsf.2009.03.091

[4] Philippon D., Godinho V., Nagy P.M. et al. Endurance of TiAlSiN coatings: Effect of Si and bias on wear and adhesion. Wear, 2011, vol. 270, no. 7-8, pp. 541–549, doi: https://doi.org/10.1016/j.wear.2011.01.009

[5] Lin C.-H., Tsai Y.-Z., Duh J.-G. Effect of grain size on mechanical properties in CrAlN/SiNx multilayer coatings. Thin Solid Films, 2010, vol. 518, no. 24, pp. 7312–7315, doi: https://doi.org/10.1016/j.tsf.2010.04.100

[6] Soldán J., Neidhardt J., Sartory B. et al. Structure–property relations of arc-evaporated Al–Cr–Si–N coatings. Surf. Coat. Technol., 2008, vol. 202, no. 15, pp. 3555–3562, doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2007.12.041

[7] Ding X.-Z., Zeng X.T., Liu Y.C. Structure and properties of CrAlSiN Nanocomposite coatings deposited by lateral rotating cathod arc. Thin Solid Films, 2011, vol. 519, no. 6, pp. 1894–1900, doi: https://doi.org/10.1016/j.tsf.2010.10.022

[8] Settineri L., Faga M.G., Gautier G. et al. Evaluation of wear resistance of AlSiTiN and AlSiCrN nanocomposite coatings for cutting tools. CIRP Annals, 2008, vol. 57, pp. 575–578, doi: https://doi.org/10.1016/j.cirp.2008.03.103

[9] Kim S.K., Van Le V. Cathodic arc plasma deposited TiAlSiN thin films using an Al-15 at.% Si cathode. Thin Solid Films, 2010, vol. 518, no. 24, pp. 7483?7486, doi: https://doi.org/10.1016/j.tsf.2010.05.029

[10] Miletic A., Panjan P., Skoric B. et al. Microstructure and mechanical properties of nanostructured Ti-Al-Si-N coatings deposited by magnetron sputtering. Surf. Coat. Technol., 2014, vol. 241, pp. 105–111, doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2013.10.050

[11] Zhao F., Ge Y., Wang L. et al. Tribological and mechanical properties of hardness-modulated TiAlSiN multilayer coatings fabricated by plasma immersion ion implantation and deposition. Surf. Coat. Technol., 2020, vol. 402, art. 126475, doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.126475

[12] Li G., Sun J., Xu Y. et al. Microstructure, mechanical properties, and cutting performance of TiAlSiN multilayer coatings prepared by HiPIMS. Surf. Coat. Technol., 2018, vol. 353, pp. 274–281, doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2018.06.017

[13] Liu Y., Yu S., Shi Q. et al. Multilayer coatings for tribology: a mini review. Nanomaterials, 2022, vol. 12, no. 9, art. 1388, doi: https://doi.org/10.3390/nano12091388

[14] Stueber M., Holleck H., Leiste H. et al. Concepts for the design of advanced nanoscale PVD multilayer protective thin films. J. Alloys Compd., 2009, vol. 483, no. 1-2, pp. 321–333, doi: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2008.08.133

[15] Liew W.Y.H., Lim H.P., Melvin G.J.H. et al. Thermal stability, mechanical properties, and tribological performance of TiAlXN coatings: understanding the effects of alloying additions. J. Mater. Res. Technol., 2022, vol. 17, pp. 961–1012, doi: https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.01.005

[16] Faga M.G., Gautier G., Cartasegna F. et al. AlSiTiN and AlSiCrN multilayer coatings: effects of structure and surface composition on tribological behavior under dry and lubricated conditions. Appl. Surf. Sci., 2016, vol. 365, pp. 218–226, doi: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.12.237

[17] Колесников В.И., Кудряков О.В., Варавка В.Н. и др. Особенности структурно-фазового состояния и свойства вакуумных ионно-плазменных покрытий системы Cr–Al–Si–N. Физическая мезомеханика, 2022, т. 25, № 6, с. 26–38, doi: https://doi.org/10.55652/1683-805X_2022_25_6_26

[18] Кудряков О.В., Колесников В.И., Колесников И.В. и др. Особенности деградации нитридных ионно-плазменных покрытий при трении скольжения. Физическая мезомеханика, 2025, т. 28, № 3, с. 22–34, doi: https://doi.org/10.55652/1683-805X_2025_28_3_22-34

[19] Григорьев И.С., Мейлихов Е.З., ред. Физические величины. Москва, Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.