Износостойкие металлоидсодержащие покрытия на сталях, полученные термодиффузионным насыщением и вакуумным осаждением

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.

1. Кавалейро, А. Наноструктурные покрытия / А. Кавалейро, Д. де Хоссен; пер. с англ.; под ред. Р. А. Андриевского. М.: Техносфера, 2011. 752 с.

2. Современная трибология: итоги и перспективы / Э. Д. Браун [и др.]; под ред. К. В. Фролова. М.: Изд-во «ЛКИ», 2008. 480 с.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. Интенсификация процессов химико-термической обработки сталей / Л. Г. Петрова [и др.]. М.: МАДИ, 2019. 160 с.

13. 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.

14. 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.

15. 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.