Международная команда учёных установила взаимосвязь между коэффициентом трения и характеристиками микрочастиц в нитридных покрытиях, что позволит увеличить износостойкость рабочих поверхностей режущих инструментов.

 

Добавление к нитридным системам третьего элемента меняет параметры их кристаллической решётки

 

Эффективным способом изменения поверхностных свойств различных изделий является нанесение многофункциональных нанопокрытий – как правило, на основе нитридов переходных металлов в виде многокомпонентных систем, где каждый элемент усиливает определённую функцию и позволяет достичь нужных механических свойств: коррозионной и термической стойкости, сопротивления окислению и износу.

Одним из наиболее широко используемых нитридов для нанесения на рабочие поверхности является нитрид хрома (CrN) – покрытия на его основе обладают высокой стойкостью к окислению и коррозии, а также хорошим сцеплением с материалами, но их твёрдость и износостойкость часто недостаточны. Белорусские учёные из Института тепло- и массообмена имени А.В. Лыкова, польские из Кошалинского университета, украинские из Харьковского физико-технического института и российские из Донского государственного технического университета попытались решить эту проблему введением в состав покрытия нитрида хрома металлов и неметаллов за счёт образования тройных систем.

 

Добавление третьего элемента к нитридным системам способствует измельчению нитридов и изменению параметров их кристаллической решётки, что расширяет функциональные свойства материалов, изменяя их механическое поведение под приложенной нагрузкой в зависимости от добавленного элемента. Происходит структурная перестройка многокомпонентных покрытий – они превращаются в нанокомпозиты, в которых могут присутствовать как различные политипы кристаллической решетки, так и аморфные фазы.

 

Кроме того, изменяется микрорельеф поверхности таких покрытий, что сказывается на трении, утверждают российские учёные. Наиболее эффективными добавками к покрытиям CrN с точки зрения формирования необходимого микрорельефа являются алюминий и кислород. Авторы исследования сравнили влияние концентрации алюминия и кислорода на высоту, диаметр и объём микрочастиц и определили корреляцию между коэффициентом трения и геометрией микрочастиц в покрытиях из AlCrN и CrON, полученных ионно-плазменным дуговым испарением.

 

Для этого метода нанесения покрытий характерно формирование микрочастиц на поверхности: в ходе приработки они участвуют в формировании модифицированного слоя, который активно вовлечён в процессы трения. Размер и высота этих частиц, по мнению учёных, позволяют прогнозировать характеристики контакта между покрытием и контртелом, а также рассчитывать реальную площадь контакта.

 

Коэффициент трения не изменяется с увеличением содержания алюминия, но значительно уменьшается с увеличением содержания кислорода. При этом высота микронеровностей с увеличением концентрации Al в AlCrN уменьшается, а для покрытий CrON наблюдается обратный эффект. Аналогичные соотношения наблюдаются для размера микрочастиц и их высоты для обоих типов покрытий, отмечают учёные.

 

Авторам исследования удалось установить высокую корреляцию между коэффициентом трения и геометрическими характеристиками микрочастиц на поверхности покрытия. Эффект отмечается для покрытий AlCrN с содержанием алюминия 50%, 70% и 80% и CrON-покрытия, содержащего 5%, 20% и 50% кислорода. Полученные результаты позволяют рассматривать геометрические характеристики микрочастиц как важные особенности в задаче определения коэффициента трения.

Источник