vrgupВестник Ростовского государственного университета путей сообщенияVestnik Rostovskogo gosudarstvennogo universiteta putej soobŝeniâ0201-727XРостовский государственный университет путей сообщения10.46973/0201-727X_2026_2_210vrgup-345Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕMECHANICAL ENGINEERINGСтруктура, свойства и износостойкость многослойных металло-керамических покрытий CrAlSiN/CrStructure, properties, and wear resistance of multilayer CrAlSiN cermet coatingsКолесниковИ. В.KolesnikovI. V.

Колесников Игорь Владимирович, кафедра «Теоретическая механика», доктор технических наук, член-корреспондент РАН, ведущий научный сотрудник НИЧ

Kolesnikov Igor Vladimirovich, Chair “Theoretical Mechanics”, Doctor of Engineering Sciences, Corresponding Member of the RAS, Leading Researcher of the Research Department

oooedt@rambler.ruПолитыкоК. Н.PolitykoK. N.

Политыко Кирилл Николаевич, Ростовский государственный университет путей сообщения (РГУПС), кафедра «Теоретическая механика», младший научный сотрудник НИЧ; Федеральный исследовательский центр Южный научный центр Российской академии наук (ЮНЦ РАН), лаборатория транспорта, композиционных материалов и конструкций ЮНЦ РАН, младший научный сотрудник

Polityko Kirill Nikolaevich, Chair “Theoretical Mechanics”, Junior Researcher of the Research Department; Laboratory of Transport, Composite Materials and Structures of SSC RAS, Junior Researcher

politykokirill@yandex.ruАзоянА. И.AzoyanA. I.

Азоян Анаид Иосиповна, кафедра «Теоретическая механика», кандидат технических наук, доцент, научный сотрудник НИЧ

Azoyan Anaid Iosipovna, Chair “Theoretical Mechanics”, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor, Researcher of the Research Department

azojan.anaid@mail.ruЧетверикМ. М.ChetverikM. M.

Четверик Максим Максимович, кафедра «Теоретическая механика», аспирант

Chetverik Maksim Maksimovich, Chair “Theoretical Mechanics”, Postgraduate Student

chetverikm@mail.ruРостовский государственный университет путей сообщения (РГУПС)РоссияRostov State Transport University (RSTU)Russian FederationРостовский государственный университет путей сообщения (РГУПС); Федеральный исследовательский центр Южный научный центр Российской академии наук (ЮНЦ РАН)РоссияRostov State Transport University (RSTU); Federal Research Center of Southern Scientific Center of the Russian Academy of Sciences (SSC RAS)Russian Federation20262907202602210–218Copyright © Колесников И.В., Политыко К.Н., Азоян А.И., Четверик М.М., 20262026Колесников И.В., Политыко К.Н., Азоян А.И., Четверик М.М.Kolesnikov I.V., Polityko K.N., Azoyan A.I., Chetverik M.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.rgups.ru/jour/article/view/345

Исследованы структурные особенности, механические и трибологические свойства многослойного металлокерамического покрытия CrAlSiN/Cr, нанесенного методом физического осаждения из паровой фазы (PVD) на подложки из стали 40ХН. Архитектура покрытия сочетает адгезионный слой Cr, наноструктурный функциональный слой CrAlSiN, промежуточный слой Cr с чередованием до 12 слоев и завершающий слой CrAlSiN, предназначенные для повышения несущей способности и снижения распространения трещин при скользящем контакте. Методами сканирующей электронной микроскопии, энергодисперсионной спектроскопии и наноиндентирования исследованы микроструктура, элементный состав, твердость, модуль упругости. Трибологические испытания проводились по схеме «шар – диск», где контертелом являлся шар из Al2O3, которые позволили установить коэффициент трения и скорость износа при сухом трении.Трибологические испытания подтвердили стабильность коэффициента трения и высокую износостойкость, что обусловлено многослойной архитектурой и оптимальными механическими свойствами материала. Чередование жестких керамических слоев CrAlSiN с пластичными прослойками Cr создает эффективную систему внутренних барьеров, препятствующих распространению трещин и локализующих пластическую деформацию. Такое сочетание структурных особенностей и механических характеристик делает покрытие CrAlSiN/Cr эффективным решением для деталей, работающих в условиях высоких нагрузок и ограниченного смазывания.

This study investigates the structural features, mechanical, and tribological properties of a multilayer metal-ceramic coating (CrAlSiN/Cr) deposited by physical vapor deposition (PVD) onto 40ХН steel substrates. The coating's architecture comprises a Cr adhesive layer, a nanostructured functional CrAlSiN layer, an intermediate Cr layer with up to 12 alternating layers, and a final CrAlSiN layer. These layers are designed to increase load-bearing capacity and reduce crack propagation under sliding contact. The microstructure, elemental composition, hardness, and elastic modulus were investigated using scanning electron microscopy, energy-dispersive spectroscopy, and nanoindentation. Tribological tests were conducted using a ballon-disk setup, with an Al2O3 ball serving as the counterweight. These tests allowed us to determine the friction coefficient and wear rate under dry friction.Preliminary tribological tests have confirmed the stability of the friction coefficient and high wear resistance, which is due to the multilayer architecture and optimal mechanical properties of the material. The alternation of hard CrAlSiN ceramic layers with ductile Cr interlayers creates an effective system of internal barriers that prevent crack propagation and localize plastic deformation. The combination of structural features and mechanical properties of the CrAlSiN/Cr coating renders it an exceptionally effective solution for components operating under high loads and limited lubrication.

многослойные покрытияPVD-технологияметаллокерамические композитыCrAlSiN/Crтрибологические испытанияизносостойкостьмикротвердостькоэффициент трениянанокомпозитные структурыmultilayer coatingsPVD technologymetal-ceramic compositesCrAlSiN/Crtribological testingwear resistancemicrohardnesscoefficient of frictionnanocomposite structuresReferencesПовышение износостойкости металлических и металлополимерных трибосистем путём формирования структуры и свойств их поверхностного слоя / И. В. Колесников, П. Д. Мотренко, В. И. Колесников, Д. С. Мантуров. – Москва : ВИНИТИ РАН, 2021. – 168 с. – ISBN 978-5-902928-92-8.Enhancing the wear resistance of metallic and metal-polymer tribosystems by forming the structure and properties of their surface layer. / I. V. Kolesnikov, P. D. Motrenko, V. I. Kolesnikov, D. S. Man-turov. – Moscow : VINITI RAS, 2021. – 168 p. – ISBN 978-5-902928-92-8.Колесников, И. В. Системный анализ и синтез процессов, происходящих в металлополимерных узлах трения фрикционного и антифрикционного назначения / И. В. Колесников. – Москва : ВИНИТИ РАН, 2017. – 384 с. – ISBN 978-5-902928-72-0.Kolesnikov, I. V. System analysis and synthesis of processes occurring in metal-polymer friction units for friction and antifriction purposes / I. V. Kolesnikov. – Moscow : VINITI RAS, 2017. – 384 p. – ISBN 978-5-902928-72-0.Multilayer coatings for tribology : A mini review / Y. Liu, S. Yu, Q. Shi, X. Ge, W. Wang // Nanomaterials. – 2022. – Vol. 12, No. 9. – Article no. 1388. – DOI 10.3390/nano12091388.Multilayer coatings for tribology : A mini review / Y. Liu, S. Yu, Q. Shi, X. Ge, W. Wang // Nano-materials. – 2022. – Vol. 12, No. 9. – Article no. 1388. – DOI 10.3390/nano12091388.Fatigue life of TiN and CrN coatings in rolling contact / E. Vera, M. Vite, E. Gallardo, J. Laguna-Camacho // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J : Journal of Engineering Tribology. – 2013. – Vol. 227, No. 4. – P. 339–348. – DOI 10.1177/1350650112463844.Fatigue life of TiN and CrN coatings in rolling contact / E. Vera, M. Vite, E. Gallardo, J. Laguna-Camacho // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J : Journal of Engineering Tribology. – 2013. – Vol. 227, No. 4. – P. 339–348. – DOI 10.1177/1350650112463844.Microstructure, mechanical and tribological properties of gradient CrAlSiN coatings deposited by magnetron sputtering and arc ion plating technology / Q. Fan, S. Zhang, J. Lin [et al.] // Thin Solid Films. – 2022. – Vol. 760. – Article no. 139490. – DOI 10.1016/j.tsf.2022.139490.Microstructure, mechanical and tribological properties of gradient CrAlSiN coatings deposited by magnetron sputtering and arc ion plating technology / Q. Fan, S. Zhang, J. Lin [et al.] // Thin Solid Films. – 2022. – Vol. 760. – Article no. 139490. – DOI 10.1016/j.tsf.2022.139490.Influence of Al and Si content on structure and mechanical properties of arc evaporated Al–Cr–Si–N thin films / C. Tritremmel, R. Daniel, M. Lechthaler, P. Polcik, C. Mitterer // Thin Solid Films. – 2013. – Vol. 534. – P. 403–409. – DOI 10.1016/j.tsf.2013.03.017.Influence of Al and Si content on structure and mechanical properties of arc evaporated Al–Cr–Si–N thin films / C. Tritremmel, R. Daniel, M. Lechthaler, P. Polcik, C. Mitterer // Thin Solid Films. – 2013. – Vol. 534. – P. 403–409. – DOI 10.1016/j.tsf.2013.03.017.Structural features and tribological properties of multilayer coatings based on refractory metals / A. D. Pogrebnjak, Y. O. Kravchenko, O. V. Bondar [et al.] // Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces. – 2018. – Vol. 54, No. 2. – P. 240–258. – DOI 10.1134/S2070205118020107.Structural features and tribological properties of multilayer coatings based on refractory metals / A. D. Pogrebnjak, Y. O. Kravchenko, O.V. Bondar [et al.] // Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces. – 2018. – Vol. 54, No. 2. – P. 240–258. – DOI 10.1134/S2070205118020107.Effect of interlayer design on friction and wear behaviors of CrAlSiN coating under high load in sea-water / Y. Ye, Z. Liu, W. Liu [et al.] // RSC Advances. – 2018. – Vol. 8. – P. 5596–5607. – DOI 10.1039/C7RA12409K.Effect of interlayer design on friction and wear behaviors of CrAlSiN coating under high load in sea-water / Y. Ye, Z. Liu, W. Liu [et al.] // RSC Ad-vances. – 2018. – Vol. 8. – P. 5596–5607. – DOI 10.1039/C7RA12409K.Исследование свойств покрытий CrAlSiN спектроскопическими методами / А. В. Сидашов, М. В. Бойко, А. Т. Козаков, Д. С. Мантуров // Вестник машиностроения. – 2022. – № 2. – С. 60–64. – DOI 10.36652/0042-4633-2022-2-60-64.Investigation of the properties of CrAlSiN coatings by spectroscopic methods. / A. V. Sidashov, M. V. Boyko, A. T. Kozakov, D. S. Manturov // Vestnik Mashinostroeniya. – 2022. – No. 2. – P. 60–64. – DOI 10.36652/0042-4633-2022-2-60-64.Покрытия DLC, стабилизированные азотом : оптимизация свойств и режимов нанесения с использованием алгоритмов рандомизированных деревьев и нейронных сетей / А. И. Воропаев, В. И. Колесников, О. В. Кудряков [и др.] // Физическая мезомеханика. – 2024. – Т. 27, № 2. – С. 16–32. – DOI 10.55652/1683-805X_2024_27_2_16-32.Nitrogen-stabilized DLC coatings : optimization of properties and deposition parameters using randomized tree algorithms and neural networks / A. I. Voropaev, V. I. Kolesnikov, O. V. Kudryakov [et al.] // Physical Mesomechanics. – 2024. – Vol. 27, No. 2. – P. 16–32. – DOI 10.55652/1683-805X_2024_27_2_16-32.Advanced PVD coatings for highly loaded components in powertrain applications / K. Bobzin, T. Brögelmann, N. Kruppe, C. Kalscheuer // Surface and Coatings Technology. – 2020. – Vol. 388. – Article no. 125575.Advanced PVD coatings for highly loaded components in powertrain applications / K. Bobzin, T. Brögelmann, N. Kruppe, C. Kalscheuer // Surface and Coatings Technology. – 2020. – Vol. 388. – Article no. 125575.Structural-phase state and properties of Cr–Al–Si–N coatings obtained by vacuum arc plasma deposition / V. I. Kolesnikov, O. V. Kudryakov, V. N. Varavka [et al.] // Physical Mesomechanics. – 2023. – Vol. 26, No. 2. – P. 126–136. – DOI 10.1134/S1029959923020029.Structural-phase state and properties of Cr–Al–Si–N coatings obtained by vacuum arc plasma deposition / V. I. Kolesnikov, O. V. Kudryakov, V. N. Varavka [et al.] // Physical Mesomechanics. – 2023. – Vol. 26, No. 2. – P. 126–136. – DOI 10.1134/S1029959923020029.Teles, V. C. Abrasive wear of multilayered/gradient CrAlSiN PVD coatings: Effect of interface roughness and of superficial flaws / V. C. Teles, J. D. B. de Mello, W. M. da Silva // Wear. – 2017. – Vols. 376–377. – Part B. – P. 1691–1701. – DOI 10.1016/j.wear.2017.01.116.Teles, V. C. Abrasive wear of multilayered/gradient CrAlSiN PVD coatings: Effect of interface roughness and of superficial flaws / V. C. Teles, J. D. B. de Mello, W. M. da Silva // Wear. – 2017. – Vols. 376–377. – Part B. – P. 1691–1701. – DOI 10.1016/j.wear.2017.01.116..Политыко, К. Н. Вакуумная установка для получения ионно-плазменных покрытий трибологического назначения / К. Н. Политыко, А. И. Воропаев, Д. С. Мантуров // Труды 31-й Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Вакуумная техника и технологии-2024», Санкт-Петербург, 25–27 июня 2024 г. – Санкт-Петербург : СПбГЭТУ «ЛЭТИ». – 2024. – С. 141–144.Polityko, K. N. Vacuum installation for obtaining ionplasma coatings for tribological applications / K. N. Polityko, A. I. Voropaev, D. S. Manturov // Vacuum Technology and Equipment – 2024 : pro-ceedings of the 31st All-Russian scientific and tech-nical conference with international participation, Saint Petersburg, June 25–27, 2024. – Saint Peters-burg : Saint Petersburg Electrotechnical University «LETI» – 2024. – P. 141–144.Головин, Ю. И. Наноиндентирование и его возможности / Ю. И. Головин. – Москва : Машиностроение, 2009. – 312 с.Golovin, Yu. I. Nanoindentation and its capabil-ities / Yu. I. Golovin. – Moscow : Mashinostroenie, 2009. – 312 p.DIN 50324-1992. Tribology ; testing of friction and wear model test for sliding friction of solids (ball-on-disc system). – 6 p. – URL: https://www.standards.ru/document/4024545.aspx (date of access: 06/12/2026).DIN 50324-1992. Tribology ; testing of friction and wear model test for sliding friction of solids (ball-on-disc system). – 6 p. – URL: https://www.stand-ards.ru/document/4024545.aspx (date of access: 06/12/2026).ASTM G99-17. Standard Test Method for Wear Testing with a Pin-on-Disk Apparatus. – January 1, 2017. – 6 p. – URL: https://www.astm.org/g0099-17.html (date of access: 12.06.2026).ASTM G99-17. Standard Test Method for Wear Testing with a Pin-on-Disk Apparatus. – January 1, 2017. – 6 p. – URL: https://www.astm.org/g0099-17.html (date of access: 06/12/2026).Structural and mechanical properties of DLC/TiN coatings on carbide for wood-cutting applications / V. Hayeuski, V. Zhylinski, V. Kazachenko [et al.] // Coatings. – 2023. – Vol. 13. – Article no. 1192. – DOI 10.3390/coatings13071192.Structural and mechanical properties of DLC/TiN coatings on carbide for wood-cutting applications / V. Hayeuski, V. Zhylinski, V. Kazachenko [et al.] // Coatings. – 2023. – Vol. 13. – Article no. 1192. – DOI 10.3390/coatings13071192.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.