satНАУКА и ТЕХНИКАScience & Technique2227-10312414-0392Belarusian National Technical University10.21122/2227-1031-2020-19-6-480-491sat-2382Research ArticleТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИTECHNICAL SCIENCESИзносостойкие металлоидсодержащие покрытия на сталях, полученные термодиффузионным насыщением и вакуумным осаждениемWear-Resistant Metalloid-Containing Coatings on Steels Obtained by Thermal Diffusion Saturation and Vacuum DepositionКонстантиновВ. М.KonstantinovV. M.

Доктор технических наук, профессор

Адрес для переписки: Константинов Валерий Михайлович – Белорусский национальный технический университет, ул. Я. Коласа, 12,  220013, г. Минск, Республика Беларусь. Тел.: +375 17 292-81-85

vm_konstantinov@bntu.by

КовальчукА. В.KovalchukA. V.

Кандидат технических наук

 г. Минск

Белорусский национальный технический университетБеларусьBelarusian National Technical UniversityBelarus202027112020196480491Copyright © Константинов В.М., Ковальчук А.В., 20202020Константинов В.М., Ковальчук А.В.Konstantinov V.M., Kovalchuk A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://sat.bntu.by/jour/article/view/2382

Получены новые двухслойные износостойкие покрытия композиционного типа «термодиффузионный слой – вакуумное ионно-плазменное покрытие TiAlN», исследованы их дюрометрические и трибологические свойства. Установлено влияние предварительной химико-термической обработки стальной подложки на формирование ряда характеристик поверхности с ионно-плазменным керамическим покрытием. Предварительная карбонитрация, азотирование, карбидизация и борирование позволяют повысить фактически измеренную микротвердость поверхности с покрытием TiAlN в 3,4–13,2 раза и износостойкость по величине объемного износа в 2–3,4 раза. Отмечено, что фактически измеренная нанотвердость покрытий на подложках с термодиффузионными слоями значительно выше, чем на неупрочненных стальных подложках. Так, нанотвердость покрытий TiAlN толщиной 1 мкм на подложках с карбонитридным слоем при индентировании на глубину 0,1–0,9 мкм больше в 1,9 раза, модуль упругости больше в 1,7 раза, индекс пластичности H/E* выше на 13,0 %, показатели упругого восстановления H2/E* и сопротивления пластической деформации H3/E*2 выросли более чем в 2,1 и 2,4 раза соответственно. Вязкость разрушения при этом увеличилась в 4,5 раза. Предварительное борирование стальной подложки приводит к повышению фактически измеренной нанотвердости поверхности с покрытием до 1,8 раза, модуля упругости – до 1,8 раза, H3/E*2 – до 1,8 раза, H3/E*2 – до 1,8, жесткости поверхности – до 10,0 % при сохранении или увеличении до 8,0 % индекса пластичности H/E по сравнению с характеристиками, полученными при наноиндентировании покрытия TiAlN на неупрочненной стальной подложке. Обнаруженное явление связано с повышением вклада упрочненной подложки в упругое восстановление покрытия и индентационным откликом поверхности. Приведены результаты практического применения разработанных износостойких композиций.

New two-layer wear-resistant coatings of the composite type “thermal diffusion layer – vacuum ion-plasma coating TiAlN” have been obtained, their durometric and tribological properties have been investigated in the paper. The study has made it possible to establish influence of  preliminary  thermochemical  treatment of  a steel substrate on the  formation of  surface thermal diffusion layers is significantly higher than on unhardened steel substrates. Thus, the nano-hardness of TiAlN 1 μm-thickness coatings on substrates with a carbonitride layer when indented to a depth of 0.1–0.9 μm, is 1.9 times higher, the elastic modulus is 1.7 times higher, the ductility index H/E* is higher by 13.0 %, the rate of elastic recovery H2/E* and the rate of plastic deformation resistance H3/E*2 – have been increased by more than 2.1 and 2.4 times, respectively. The fracture toughness has been increased by 4.5 times. Preliminary boriding of the steel substrate leads to an increase in the actually measured nanohardness of the coated surface up to 1.8 times, elastic modulus up to 1.8 times, H3/E*2 – up to 1.8 times, H3/E*2 – up to 1.8 times, surface hardness – up to 10.0 %, while maintaining or increasing the plasticity index H/E up to 8.0 % in comparison with the characteristics obtained by nano-indentation of the TiAlN coating on an unhardened steel substrate. The discovered phenomenon is associated with an increase in the contribution of the hardened substrate to the elastic restoration of the coating and the indentation response of the surface. The paper presents the results of practical application of the developed wear-resistant compositions.

химико-термическая обработкакарбонитрациякарбидизацияазотированиеборированиевакуумное ионно-плазменное покрытиенанотвердостьмодуль упругостимикротвердостьизносостойкостьthermochemical treatmentcarbonitrationcarbidizationnitridingboridingvacuum ion-plasma coatingnano-hardnesselastic modulusmicro-hardnesswear resistanceReferencesКавалейро, А. Наноструктурные покрытия / А. Кавалейро, Д. де Хоссен; пер. с англ.; под ред. Р. А. Андриевского. М.: Техносфера, 2011. 752 с.Cavaleyro A., De Hosson J. (2006) Nanostructured Coatings. Springer, New York. https://doi.org/10.1007/978-0-387-48756-4.Современная трибология: итоги и перспективы / Э. Д. Браун [и др.]; под ред. К. В. Фролова. М.: Изд-во «ЛКИ», 2008. 480 с.Braun E. D., Buyanovskii I. A., Voronin N. A., Gurskii B. E., Drozdov Yu. N., Zakharov S. M., Kan S. G., Levchenko V. A., Orlov A. V., Pavlov V. G., Petrov V. P., Puchkov V. N., Semenov A. P., Khrushchov M. M., Chichinadze A. V. (2008) Modern Tribology: Results and Prospects. Moscow, Publihing House “LKI”. 480 (in Russian).Mittemeijer, E. J. Thermochemical Surface Engineering of Steels: Improving Materials Performance / E. J. Mittemeijer, M. A. J. Somers. 2nd ed. Oxford: Elsevier, 2014. 816 p. https://doi.org/10.1016/C2013-0-16318-0.Mittemeijer E. J., Somers M. A. J. (2014) Thermochemical Surface Engineering of Steels: Improving Materials Performance. 2nd ed. Oxford, Elsevier. 816. https://doi.org/10.1016/C2013-0-16318-0.Хоккинг, М. Металлические и керамические покрытия: получение, свойства и применением / М. Хоккинг, В. Вассантари, П. Сидки; пер. с англ.; под ред. Р. А. Анд-риевского. М.: Мир, 2000. 518 с.Hocking M., Vasantasree V., Sidky P. (1989) Metallic and Ceramic Coatings: Production, Properties and Applications. Harlow (Essex), Longman Scientific & Technical Ltd. 670.Pakseresht, А. Н. Production, Properties, and Applications of High Temperature Coatings / A. H. Pakseresht. Hershey: IGI Global, 2018. 557 p. https://doi.org/10.4018/978-1-5225-4194-3.. Pakseresht А. Н. (2018) Production, Properties, and Applications of High Temperature Coatings. Hershey, IGI Global. 557. https://doi.org/10.4018/978-1-5225-4194-3.Microstructural Design of Hard Coatings / P. H. Mayrhofer [et al.] // Progress in Materials Science. 2006. Vol. 51, No 8. P. 1032–1114. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2006.02.002.Mayrhofer P. H., Mitterer C., Hultman L., Clemens H. (2006) Microstructural Design of Hard Coatings. Progress in Materials Science, 51 (8), 1032–1114. https://doi.org/10. 1016/j.pmatsci.2006.02.002.The Effect of Steel Substrate Pre-Hardening on Structural, Mechanical, and Tribological Properties of Magnetron Sputtered TiN and TiAlN Coatings / F. F. Komarov [et al.] // Wear. 2016. Vol. 352–353. P. 92–101. https://doi.org/10.1016/j.wear.2016.02.007.Komarov F. F., Konstantinov V. M., Kovalchuk A. V., Konstantinov S. V., Tkachenko H. A. (2016) The Effect of Steel Substrate Pre-Hardening on Structural, Mechanical, and Tribological Properties of Magnetron Sputtered TiN and TiAlN Coatings. Wear, 352–353, 92–101. https://doi.org/10.1016/j.wear.2016.02.007.Воронин, Н. А. Абразивная стойкость и несущая способность вакуумных ионно-плазменных покрытий / Н. А. Воронин // Трение и износ. 1998. Т. 19, № 5. С. 616–622.Voronin N. A. (1998) Abrasion Resistance and Load-Bearing Capacity of Vacuum Ion-Plasma Coatings. Trenie i Iznos = Friction and Wear, 19 (5), 616–622 (in Russian).Разработка аддитивных технологий упрочнения конструкционных сталей на основе химико-термической обработки и нанесения ионно-плазменных покрытий / В. М. Константинов [и др.] // Актуальные проблемы прочности. Витебск: ВГТУ, 2018. Т. 2, гл. 18. С. 377–401.Konstantinov V. M., Komarov F. F., Koval'chuk A. V., Konstantinov S. V. (2018) Development of Additive Technologies for Strengthening Structural Steels Based on Chemical-Thermal Treatment and Application of Ion-Plasma Coatings. Aktualnye Problemy Prochnosty. T. 2, Gl. 18 [Actual Problems of Strength. Vol. 2, Chap. 18]. Vitebsk, Vitebsk State Technological University, 377–401 (in Russian).Shengli, M. The Composite of Nitrided Steel and TiN Coatings by Plasma Duplex Treatment and the Effect of Pre-Nitriding / M. Shengli, Yanhuai Li, Kewei Xu // Surface and Coatings Technology. 2001. Vol. 137, Nо 1–2. P. 116–121. https://doi.org/10.1016/s0257-8972(00)01073-2.Shengli M. Yanhuai Li, Kewei Xu (2001) The Composite of Nitrided Steel and TiN Coatings by Plasma Duplex Treatment and the Effect of Pre-Nitriding. Surface and Coatings Technology, 137 (1–2), 116–121. https://doi.org/10. 1016/s0257-8972(00)01073-2.Kutz, М. Mechanical Engineers’ Handbook: Manufactu ring and Management / M. Kutz. 4rd ed. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc., 2015. Vol. 3. 880 p. https://doi.org/10.1002/9781118985960.Kutz М. (2015) Mechanical Engineers’ Handbook: Ma-nufacturing and Management. Hoboken, John Wiley & Sons, Inc. Pabl. 3, 880. https://doi.org/10.1002/9781118985960.Интенсификация процессов химико-термической обработки сталей / Л. Г. Петрова [и др.]. М.: МАДИ, 2019. 160 с.Petrova L. G., Aleksandrov V. A., Demin P. E., Sergeeva A. S. (2019) Intensification of Processes of Chemical heat treatment of Steels. Moscow, Moscow Automobile and Road Construction State Technical Univerity. 160 (in Russian).Муравьев, В. И. Диффузионное легирование поверхности конструкционных материалов металлами и металлоидами / В. И. Муравьев, П. В. Бахматов, А. А. Евстигнеев // Сварка и диагностика. 2010. № 5. С. 27–31.Murav'ev V. I., Bakhmatov P. V., Evstigneev A. A. (2010) Diffusion Alloying of Surface of Structural Materials with Metals and Metalloids. Svarka i Diagnostika [Welding and Diagnostics], (5), 27–31 (in Russian).Константинов, В. М. Свойства двухслойных износостойких покрытий «термодиффузионный слой – TiAlN» на сталях / В. М. Константинов, А. В. Ковальчук, В. Г. Дашкевич // Журнал физики и инженерии поверхности. 2016. Т. 1, № 2. С. 213–224.Konstantinov V. M., Kovalchuk A. V., Dashkevich V. G. (2016) Properties of Two-Layer Wear-Resistant Coatings “Thermal Diffusion Layer – TiAlN” on Steels. Zhurnal Fiziki i Inzhenerii Povekhnoti = Journal of Surface Physics and Engineering, 1 (2), 213–224 (in Russian).Musil, J. Physical and Mechanical Properties of Hard Nanocomposite Films Prepared by Reactive Magnetron Sputtering / J. Musil // Nanostructured Coatings / ed. J. T. M. De Hosson, A. Cavaleiro. New York: Springer Science and Business Media LCC, 2006. P. 407–463. https://doi.org/10.1007/0-387-48756-5_10.Musil J. (2006) Physical and Mechanical Properties of Hard Nanocomposite Films Prepared by Reactive Magnetron Sputtering. De Hosson J. T. M., Cavaleiro A. (ed.) Nanostructured Coatings. New York, Springer Science and Business Media LCC, 407–463. https://doi.org/10.1007/0-387-48756-5_10.

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