Ученые Донского государственного технического университета (ДГТУ) в составе международного коллектива исследуют способы повысить износостойкость рабочих поверхностей режущего инструмента. Им удалось установить взаимосвязь между коэффициентом трения и характеристиками микрочастиц в нитридных покрытиях.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nanomaterials.

Нанесение многофункциональных нанопокрытий — эффективный способ изменения поверхностных свойств различных изделий. Для решения этой задачи сегодня широко применяются покрытия, состоящие из нитридов переходных металлов в виде многокомпонентных систем, где каждый элемент усиливает определенную функцию и позволяет достичь нужных механических свойств: коррозионной и термической стойкости, сопротивления окислению и износу.

Нитрид хрома (CrN) — один из наиболее широко используемых нитридов для нанесения на рабочие поверхности. Покрытия CrN обладают высокой стойкостью к окислению и коррозии, а также хорошим сцеплением с материалами инструмента. Однако их твердость и износостойкость часто недостаточны.

Ученые ДГТУ в составе международной научной группы, координируемой Институтом тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова Национальной академии наук Белоруссии (ИТМО НАН Белоруссии), решают эту проблему путем введения в состав покрытия нитрида хрома металлов и неметаллов, за счет образования тройных систем.

«Добавление третьего элемента к нитридным системам способствует измельчению нитридов и изменению параметров их кристаллической решетки. Это 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», — рассказал старший научный сотрудник лаборатории функционально-градиентных и композиционных материалов ДГТУ Борис Митрин.

По его словам, наиболее эффективными добавками к покрытиям CrN с точки зрения формирования необходимого микрорельефа являются алюминий (Al) и кислород (O). Авторы исследования сравнили влияние концентрации алюминия и кислорода на высоту, диаметр и объем микрочастиц и определили корреляцию между коэффициентом трения и геометрией микрочастиц в покрытиях из AlCrN и CrON, полученных ионно-плазменным дуговым испарением.

Общеизвестно, что для этого метода нанесения покрытий характерно формирование микрочастиц на поверхности, сообщают ученые. В ходе приработки они участвуют в формировании модифицированного слоя, который активно вовлечен в процессы трения. Размер и высота этих частиц, по мнению авторов исследования, позволяют прогнозировать характеристики контакта между покрытием и контртелом и рассчитывать реальную площадь контакта.

«Мы изучили два набора покрытий на основе CrN — один с добавлением алюминия, другой с добавлением кислорода — и оценили влияние добавок на геометрию поверхностных дефектов, то есть диаметр, высоту и объем микрочастиц, расположенных на поверхности покрытия. Мы обнаружили, что коэффициент трения существенно 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», — сообщил Борис Митрин.

Авторы исследования отмечают, что им 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. По мнению ученых, полученные результаты позволяют рассматривать геометрические характеристики микрочастиц как важные особенности в задаче определения коэффициента трения.