vrgupВестник Ростовского государственного университета путей сообщенияVestnik Rostovskogo Gosudarstvennogo Universiteta Putej Soobshcheniya0201-727XРостовский государственный университет путей сообщения10.46973/0201-727X_2024_3_17vrgup-4Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕMECHANICAL ENGINEERINGПовышение износостойкости тяжелонагруженных трибосистем путем применения комбинированных ионно-плазменных алмазоподобных покрытий CrSiAlN + DLC при стабилизации азотомIncreasing the wear resistance of heavily loaded tribosystems by using combined ion-plasma diamond-like coatings CrSiAlN + DLC with nitrogen stabilizationВоропаевА. И.VoropaevA. I.

Воропаев Александр Иванович, директор научно-испытательного центра, НИЦ НТ НИЧ РГУПС

Voropaev Alexander Ivanovich, Director of the Research and Testing Center, RТC NT RD RSTU

vai_nano@rgups.ruРостовский государственный университет путей сообщения (РГУПС)Rostov State Transport University (RSTU)2024300920240317–27Copyright © Воропаев А.И., 20242024Воропаев А.И.Voropaev A.I.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/4

Рассмотрена задача определения физико-механических и трибологических параметров ионно-плазменных покрытий DLC, нанесенных на стальную подложку с использованием азота для стабилизации структуры и толщины покрытий. Полученные зависимости коэффициента трения µ и длины пробега L образцов до момента разрушения покрытия от тока и индукционных катушек (λ, А) – мощности ионного потока, количества стабилизатора – азота (%N) позволили не только оптимизировать режимы нанесения покрытия, но и выявить недостатки DLC-покрытий. В частности, установлено, что коэффициент трения практически остается постоянным и достаточно малым во всем диапазоне нагрузок на уровне µ = 0,17. Что касается износа, то в интервале значительных нагрузок экспериментальная зависимость пути трения до разрушения непрерывно убывает и стремится к нулю. Поэтому дальнейшие исследования были направлены на разработку технологии получения комбинированного покрытия путем чередования металлокерамических слоев CrAlSiN, полученных дуговым напылением путем физического вакуумного осаждения PVD-покрытий, и углеродных (в том числе алмазоподобных) слоев, полученных лазерным испарением графита, без извлечения образцов-подложек из вакуумной камеры установки BRV-600. В результате совмещения высокой износостойкости нитридного покрытия CrAlSiN и низкого коэффициента трения покрытия DLC существенно увеличивает износостойкость высоконагруженных трибосопряжений.

The study considers the problem of determining the physico-mechanical and tribological parameters of ion-plasma DLC coatings applied to a steel substrate using nitrogen to stabilize the structure and thickness of coatings. The obtained dependences of the coefficient of friction µ and the run length L of the samples up to the moment of coating destruction by the current and induction coils (λ, A) – the power of the ion flux, the amount of stabilizer nitrogen (%N) allowed not only to optimize the coating modes, but also to identify the disadvantages of DLC coatings. In particular, it was found that the coefficient of friction remains practically constant and quite small over the entire range of loads at the level of µ = 0,17. As for wear, in the range of significant loads, the experimental dependence of the friction path to destruction continuously decreases and tends to zero. Therefore, further research was aimed at developing a technology for obtaining a combined coating by alternating CrAlSiN metal-ceramic layers obtained by arc spraying by physical vacuum deposition of PVD coatings, and carbon (including diamond-like) layers obtained by laser evaporation of graphite, without extracting substrate samples from the vacuum chamber of the BRV-600 installation. As a result of combining the high wear resistance of the CrAlSiN nitride coating and the low friction coefficient of the DLC coating, the wear resistance of highly loaded tribounits is significantly increased.

вакуумная ионно-плазменная технологиянитридные и алмазоподобные покрытиямеханические и трибологические свойства покрытийпараметры нанесения покрытийкомбинированные покрытия.vacuum ion-plasma technologynitride and diamond-like coatingsmechanical and tribological properties of coatingscoating parameterscombined coatings.ReferencesАзаренков, Н. А. Наноструктурные покрытия и наноматериалы : Основы получения. Свойства. Области применения. Особенности современного наноструктурного направления в нанотехнологии / Н. А. Азаренков, В. М. Береснев, А. Д. Погребняк, Д. А. Колесников. – Москва : Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2012. – 368 с. – ISBN 978-5-397-02385-6.Azarenkov, N. A. Nanostructured coatings and nanomaterials : Fundamentals of production. Features. Areas of application. Features of the modern nanostructural direction in nanotechnology / N. A. Azarenkov, V. M. Beresnev, A. D. Pogrebnyak, D. A. Kolesnikov – Moscow : Book House "LIBROCOM", 2012. – 368 p. – ISBN 978-5-397-02385-6.Savchenko, A. Transforming Graphene / A. Savchenko // Science. – 2009. – Vol. 323. – P. 589–590. – DOI 10.1126/science.1169246.Savchenko, A. Transforming Graphene / A. Savchenko // Science. – 2009. – Vol. 323. – P. 589–590. – DOI 10.1126/science.1169246.Бирюков, В. П. Лазерные комплексы для упрочнения деталей и точного раскроя листового материала / В. П. Бирюков // Вестник машиностроения. – 2003. – № 2. – С. 31–33. – ISSN 0235-7119.Biryukov, V. P. Laser systems for hardening parts and precise cutting of sheet material / V. P. Biryukov // Bulletin of Mechanical Engi-neering. – 2003. – No. 2. – P. 31–33. – ISSN 0235-7119.Hong, S. Study on mechanical properties after laser forming / S. Hong, Y. Zhenqiang // Optics and Lasers in Engineering. – 2009. – Vol. 47. – P. 111–117. – DOI 10.1016/j.optlaseng.2008.07.010.Hong, S. Study on mechanical properties after laser forming / S. Hong, Y. Zhenqiang // Optics and Lasers in Engineering. – 2009. – Vol. 47. – P. 111–117. – DOI 10.1016/j.optlaseng.2008.07.010.Балдаев, Н. Алмазоподобные углеродные покрытия DLC. Варианты и применение / Н. Балдаев // Ритм машиностроения. – 2022. – № 4. – С. 38–43.Baldaev, N. Diamond-like carbon DLC coatings. Options and applications / N. Baldaev // Rhythm of Mechanical Engineering. – 2022. – No. 4. – P. 38–43.The mechanical and tribological properties of magnetron sputtered Ti–C:H coatings / V. Y. Kulikovsky, F. Fendrych, L. Jastrabik [et al.] // Surface and Coatings Technology. – 1998. – Vol. 102. – P. 81–89.The mechanical and tribological properties of magnetron sputtered Ti–C:H coatings / V. Y. Kulikovsky, F. Fendrych, L. Jastrabik [et al.] // Surface and Coatings Technology. – 1998. – Vol. 102. – P. 81–89.Li, G. Effect of Cr Atom Plasma Emission Intensity on the Characteristics of CrDLC Films Deposited by Pulsed-DC Magnetron Sputtering / Guang Li, Yi Xu, Yuan Xia // Coatings. – 2020. – Vol. 10 (7). – P. 608. – DOI 10.3390/coatings10070608.Li, G. Effect of Cr Atom Plasma Emission Inten-sity on the Characteristics of Cr-DLC Films Deposited by Pulsed-DC Magnetron Sputtering / Guang Li, Yi Xu, Yuan Xia // Coatings. – 2020. – Vol. 10 (7). – P. 608. – DOI 10.3390/coatings10070608.Evaristo, M. Room and High Temperature Tribological Behaviour of W-DLC Coatings Produced by DCMS and Hybrid DCMS-HiPIMS Configuration / M. Evaristo, F. Fernandes, A. Cavaleiro // Coatings. – 2020. – Vol. 10 (4). – 319 p. – DOI 10.3390/coat-ings10040319.Evaristo, M. Room and High Temperature Tribological Behaviour of W-DLC Coatings Produced by DCMS and Hybrid DCMS-HiPIMS Con- figuration / M. Evaristo, F. Fernandes, A. Cavaleiro // Coatings. – 2020. – Vol. 10 (4). – 319 p. – DOI 10.3390/coatings10040319.A borondoped diamond like carbon coating with high hardness and low friction coefficient / Ren Zhencheng, Qin Haifeng, Dong Yalin [et al.] // Wear. – 2019. – Vol. 436–437. – Article no. 203031.A boron-doped diamond like carbon coating with high hardness and low friction coefficient / Ren Zhencheng, Qin Haifeng, Dong Yalin [et al.] // Wear. – 2019. – Vol. 436–437. – Article no. 203031.Ti content on the tribological properties of W/Tidoped diamond-like carbon film lubricating with additives / Zhang Shaojun, Yue Wen, Kang Jiajie [et al.] // Wear. – 2019. – Vol. 430–431. – P. 137– 144. – DOI 10.1016/j.wear.2019.05.002.Ti content on the tribological properties of W/Ti-doped diamond-like carbon film lubricating with additives / Zhang Shaojun, Yue Wen, Kang Jiajie [et al.] // Wear. – 2019. – Vol. 430–431. – P. 137–144. – DOI 10.1016/j.wear.2019.05.002.Evaristo, M. Room and High Temperature Tribo-logical Behaviour of W-DLC Coatings Produced by DCMS and Hybrid DCMS-HiPIMS Configuration / M. Evaristo, F. Fernandes, A. Cavaleiro // Coatings. – 2020. – Vol. 10 (4). – 319 р. – DOI 10.3390/coat-ings10040319.Evaristo, M. Room and High Temperature Tribological Behaviour of W-DLC Coatings Pro-duced by DCMS and Hybrid DCMS-HiPIMS Configuration / M. Evaristo, F. Fernandes, A. Cavaleiro // Coatings. – 2020. – Vol. 10 (4). – 319 р. – DOI 10.3390/coatings10040319.AlTiN layer effect on mechanical properties of Ti-doped diamond-like carbon composite coatings / Pang Xiaolu, Yang Huisheng, Gao Kewei [et al.] // Thin Solid Films. – 2011. – Vol. 519. – P. 5353–5357. – DOI 10.1016/j.tsf.2011.02.040.AlTiN layer effect on mechanical properties of Ti-doped diamond-like carbon composite coatings / Pang Xiaolu, Yang Huisheng, Gao Kewei [et al.] // Thin Solid Films. – 2011. – Vol. 519. – P. 5353–5357. – DOI 10.1016/j.tsf.2011.02.040.Microstructure and mechanical properties of Ti/AlTiN/Ti-diamondlike carbon composite coatings on steel / Pang Xiaolu, Yang Huisheng, Gao Kewei [et al.] // Journal of Materials Research. – 2010. – Vol. 25, No. 11. – P. 2159–2165. – DOI 10.1557/JMR.2010.0281.Microstructure and mechanical properties of Ti/AlTiN/Ti-diamondlike carbon composite coatings on steel / Pang Xiaolu, Yang Huisheng, Gao Kewei [et al.] // Journal of Materials Re- search. – 2010. – Vol. 25, No. 11. – P. 2159–2165. – DOI 10.1557/JMR.2010.0281.Effects of DLC/TiAlN-coated die on friction and wear in sheetmetal forming under dry and oillubricated conditions : Experimental and numerical studies / M. H. Sulaiman, R. N. Farahana, K. Bienk [et al.] // Wear. – 2019. – Vol. 438–439. – Article no.203040.Effects of DLC/TiAlN-coated die on friction and wear in sheet-metal forming under dry and oillubricated conditions : Experimental and numerical studies / M. H. Sulaiman, R. N. Farahana, K. Bienk [et al.] // Wear. – 2019. – Vol. 438–439. – Article no. 203040.The role of hydrogen on the friction mechanism of diamondlike carbon films / C. Donnet, J. Fontaine, A. Grill, T. le Mogne // Tribology Letters. – 2001. – Vol. 9. – P. 137–142. – DOI 10.1023/A:1018800719806.The role of hydrogen on the friction mechanism of diamond-like carbon films / C. Donnet, J. Fontaine, A. Grill, T. le Mogne // Tribology Letters. – 2001. – Vol. 9. – P. 137–142. – DOI 10.1023/A:1018800719806.Триботехнические свойства покрытий на основе углерода и углерода, легированного азотом, полученных импульсным вакуумнодуговым методом / М. Г. Ковалева, А. Я. Колпаков, А. И. Поплавский [и др.] // Трение и износ. – 2018. – Т. 39. – № 4. – С. 433–437. – ISSN 0202-4977.Tribotechnical properties of coatings based on carbon and carbon doped with nitrogen obtained by pulsed vacuum arc method / M. G. Kovaleva, A. Ya. Kolpakov, A. I. Poplavsky [et al.] // Friction and wear. – 2018. – Vol. 39. – No. 4. – P. 433–437. – ISSN 0202-4977.Новиков, Е. С. Установление закономерностей изменения структурно-фрикционных свойств тяжелонагруженных металлополимерных и металлических трибосистем и разработка методов повышения их износостойкости : специальность 05.02.04 «Трение и износ в машинах» : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Новиков Евгений Сергеевич ; Ростовский государственный университет путей сообщения. – Ростов-на-Дону, 2020. – 149 с.Novikov, E. S. Establishing patterns of changes in the structural and frictional properties of heavily loaded metal polymer and metal tribosystems and developing methods to increase their wear resistance : specialty 05.02.04 “Friction and wear in machines” : dissertation for the degree of Candi-date of Technical Sciences / Novikov Evgeny Ser-geevich ; Rostov State Transport University. – Rostov-on-Don, 2020. – 149 p.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 and neural network algorithms / A. I. Voropaev, V. I. Kolesnikov, O. V. Kudrya-kov [et al.] // Physical Mesomechanics. – 2024. – Vol. 27. – No. 2. – P. 16–32. – DOI 10.55652/1683-805X_2024_27_2_16-32.Структурные аспекты износостойкости вакуумных ионно-плазменных покрытий / В. И. Колесников, О. В. Кудряков, И. Ю. Забияка [и др.] // Физическая мезомеханика. – 2020. – Т. 23. – № 1. – С. 62–77. – DOI 10.24411/1683-805X-2020-11006.Structural aspects of wear resistance of coatings produced by ion vapor deposition / V. I. Kolesnikov, O. V. Kudryakov, I. Yu. Zabiyaka [et al.] // Physical Mesomechanics. – 2020. – Vol. 23. – No. 1. – P. 62–77. – DOI 10.24411/1683-805X-2020-11006.

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