ТВЕРДОСТЬ, АДГЕЗИОННАЯ ПРОЧНОСТЬ И ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АДАПТИВНЫХ НАНОСТРУКТУРНЫХ ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ ВАКУУМНО-ДУГОВЫХ ПОКРЫТИЙ (Ti,Al)N–Mo2N

Исследованы свойства наноструктурных мультислойных покрытий состава (Ti,Al)N–Mo2N, полученных методом ионно-плазменного вакуумно-дугового осаждения (arc-PVD). Толщина слоев покрытия сопоставима с размером зерна, который составлял порядка 30–50 нм. Твердость покрытий достигала 40 ГПа с относительной работой пластической деформации около 60 %. Методом измерительного царапания установлено, что когезионный характер разрушения покрытия происходит исключительно по механизму пластического деформирования, что свидетельствует о высокой его вязкости. Локальное истирание покрытия до подложки происходило при нагрузке порядка 75 Н. Коэффициент трения покрытия в условиях испытаний по схеме «стержень–диск» с применением контртела из Al2O3 при нагрузке 5 Н составлял 0,35 и 0,50 при температурах 20 и 500 °C соответственно. При этом оно практически не изнашивалось из-за образования в зоне трения оксида MoO3 (фазы Магнели), работающего в качестве твердого смазывающего материала. При дальнейшем повышении температуры испытания наблюдалось повышение коэффициента трения и появление заметного износа, что связано с интенсификацией процессов сублимации MoO3 с рабочих поверхностей и снижением эффективности его работы как смазывающего материала.

arc-PVD, наноструктура, мультислойные покрытия, твердость, трибология, износостойкость, адаптивные покрытия

1. Ichimura H., Rodrigo A. The correlation of scratch adhesion with composite hardness for TiN coatings // Surf. Coat. Technol. 2000. Vol. 126. P. 152—158.

2. Akira Azushima, Yasuo Tanno, Hiroyuki Iwata, Kohshiro Aoki. Coefficients of friction of TiN coatings with preferred grain orientations under dry condition // Wear. 2008. Vol. 265. No. 7-8. P. 1017—1022.

3. Tanno Y., Azushima A. Effect of counter materials on coefficients of friction of TiN coatings with preferred grain orientations // Wear. 2009. Vol. 266. No. 11-12. P. 1178—1184.

4. Ramalho A., Celis J.-P. High temperature fretting behaviour of plasma vapour deposition TiN coatings // Surf. Coat. Technol. 2002. Vol. 155. P. 169—175.

5. Jianxin D., Aihua L. Dry sliding wear behavior of PVD TiN, Ti55Al45N, and Ti35Al65N coatings at temperatures up to 600 °C // Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2013. Vol. 41. P. 241—249.

6. Fateh N., Fontalvo G.A., Gassner G., Mitterer C. Influence of high-temperature oxide formation on the tribological behavior of TiN and VN coatings // Wear. 2007. Vol. 262. No. 9-10. P. 1152—1158.

7. Badisch E., Fontalvo G.A., Stoiber M., Mitterer C. Tribological behavior of PACVD TiN coatings in the temperature range up to 500 °C // Surf. Coat. Technol. 2003. Vol. 163-164 P. 585—590.

8. Franz R., Mitterer C. Vanadium containing self-adaptive low-friction hard coatings for high-temperature applications: A review // Surf. Coat. Technol. 2013. Vol. 228. P. 1—13.

9. Lugscheider E., Knotek O., Bobzin K., Bärwulf S. Tribological properties, phase generation and high temperature phase stability of tungsten- and vanadium-oxides deposited by reactive MSIP-PVD process for innovative lubrication applications // Surf. Coat. Technol. 2000. Vol. 133-134. P. 362—368.

10. Solak N., Ustel F., Urgen M., Aydin S., Cakir A.F. Oxidation behavior of molybdenum nitride coatings // Surf. Coat. Technol. 2003. Vol. 174-175. P. 713—719.

11. Gassner G., Mayrhofer P.H., Kutschej K., Mitterer C., Kathrein M. Magnéli phase formation of PVD Mo—N and W—N coatings // Surf. Coat. Technol. 2006. Vol. 201. P. 3335—3341.

12. Yang Q., Zhao L.R., Patnaik P.C., Zeng X.T. Wear resistant TiMoN coatings deposited by magnetron sputtering // Wear. 2006. Vol. 261. No. 2. P. 119—125.

13. Tian B., Yue W, Fu Zh., Gu Y., Wang Ch., Liu J. Surface properties of Mo-implanted PVD TiN coatings using MEVVA source // Appl. Surf. Sci. 2013. Vol. 280. P. 482—488.

14. Deng B., Tao Y., Wang Y., Liu P. Study of the microstructure and tribological properties of Mo+C-implanted TiN coatings on cemented carbide substrates // Surf. Coat. Technol. 2013. Vol. 228. P. 597—600.

15. Андриевский Р.А. Наноматериалы: концепция и современные проблемы // Рос. хим. журн. 2002. Т. 19. No. 5. С. 50—56.

16. Гуткин М.Ю., Овидько И.А. Физическая механика деформируемых наноструктур. Т. 1: Нанокристаллические материалы. СПб.: Янус, 2003.

17. Nordin M., Larsson M., Hogmark S. Mechanical and tribological properties of multilayered PVD TiN/CrN // Wear. 1999. Vol. 232. No. 2. P. 221—225.

18. Avila R.F., Mancosu R.D. Comparative analysis of wear on PVD TiN and (Ti1–xAlx)N coatings in machining process // Wear. 2013. Vol. 302. No. 1-2. P. 1192—1200.

19. Zhou Y., Asaki R., Soe W-H., Yamamoto R., Chen R., Iwabuchi A. Hardness anomaly, plastic deformation work and fretting wear properties of polycrystalline TiN/CrN multilayers // Wear. 1999. Vol. 236. No. 1-2. P. 159—164.

20. Головин Ю.И. Введение в нанотехнику. М.: Машиностроение, 2007.

21. ISO/FDIS14577-1:2002. Металлические материалы — инструментальное индентирование для определения твердости и механических свойств. 22. ГОСТ 6130-71. Металлы. Методы определения жаростойкости. М.: Изд-во стандартов, 1971.

22. Leyland A., Matthews A. On the significance of the H/E ratio in wear control: a nanocomposite coating approach to optimised tribological behavior // Wear. 2000. Vol. 246. No. 1-2. P. 1—11.

23. Tsui T.Y., Pharr G.M., Oliver W.C., Bhatia C.S., White R.L., Anders S., Anders A., Brown I.G. Nanoindentation and nanoscratching of hard carbon coatings for magnetic disks // Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 1995. Vol. 383. P. 447—452.

24. Anikin V.N., Blinkov I.V., Volkhonskii A.O., Sobolev N.A., Tsareva S.G., Kratokhvil R.V, Frolov A.E. Ion-plasma Ti—Al—N coatings on a cutting hard-alloy tool operating under conditions of constant and alternating-sign loads // Russ. J. Non-Ferr. Met. 2009. Vol. 50. No. 4. P. 424—431.

25. Нефедов В.И. Рентгеноэлектронная спектроскопия химических соединений: Справочник. М.: Химия, 1984.

26. Sanjines R., Wiemer C., Almeida J., Levy F. Valence band photoemission study of the Ti—Mo—N system // Thin Solid Films. 1996. Vol. 290-291. P. 334—338.