Структура, свойства и износостойкость многослойных металло-керамических покрытий CrAlSiN/Cr

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.

1. Повышение 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. Головин, Ю. И. Наноиндентирование и его возможности / Ю. И. Головин. – Москва : Машиностроение, 2009. – 312 с.

16. 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).

17. 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).

18. 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.