ВЛИЯНИЕ СОСТАВА ГИБРИДНЫХ ВАКУУМНЫХ ПОКРЫТИЙ AlTiN НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БЫСТРОРЕЖУЩИХ СТАЛЕЙ
DOI:
https://doi.org/10.36773/1818-1112-2026-140-2-84-90Ключевые слова:
PVD-покрытия, алтины, фтор, быстрорежущая сталь, микротвердость, поверхностная энергия, коэффициент трения, атомно-силовая микроскопия, трибологияАннотация
Одним из эффективных способов повышения ресурса металлорежущего инструмента является формирование на его рабочей поверхности тонких износостойких покрытий на основе нитридов переходных металлов, среди которых особый интерес представляют покрытия системы AlTiN. В статье исследовано влияние состава многофункциональных вакуумных покрытий системы AlTiN, AlTiCN, AlTiCF, AlTiNCF, сформированных методом катодно-дугового физического осаждения из паровой фазы (PVD), на физико-механические, триботехнические и поверхностно-энергетические свойства быстрорежущей стали Р6М5. Проведен комплекс экспериментальных исследований, включающий измерение микротвердости, коэффициента трения, анализ морфологии поверхности методом атомно-силовой микроскопии, исследование шероховатости и определение поверхностной энергии по краевым углам смачивания. Установлено, что изменение химического состава покрытий существенно влияет на особенности формирования их микроструктуры, размеры кристаллитов, параметры шероховатости формируемых слоев. Введение углерода способствует уплотнению структуры покрытия, снижению размеров структурных элементов и повышению равномерности распределения микронеровностей. Дополнительное легирование фтором приводит к уменьшению поверхностной энергии и снижению адгезионного взаимодействия с жидкими средами, что сопровождается уменьшением коэффициента трения. Показано, что покрытия AlTiCF обладают наиболее благоприятным сочетанием микротвердости, шероховатости и морфологии поверхности, тогда как покрытия AlTiNCF характеризуются минимальной поверхностной энергией и наиболее выраженными антиадгезионными свойствами. Предложен механизм повышения трибологических характеристик, основанный на совместном влиянии дисперсионного упрочнения, формирования плотной наноструктуры покрытия и образования низкоэнергетического поверхностного слоя. Полученные результаты позволяют рекомендовать разработанные покрытия для повышения долговечности режущего инструмента, работающего в условиях интенсивного абразивного и адгезионного изнашивания.
Библиографические ссылки
Influence of TiAlN coatings thikness indry machinning of AISI 1045 steel using Finite Element simulation experiments, surface and coatings / C. Upadhyay, S. S. Rajput, S. Bera [et al.] // Technology. – 2024. – Vol. 495. – Art. 131496. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2024.131496.
Münz, W. D. Titanium aluminum nitride films: a new alternative to TiN coatings / W. D. Münz // Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum. – 1986. – Vol. 4 (6). – P. 2717–2725.
Адгезионные характеристики сверхтвердых вакуумных покрытий на основе алтинов / Н. М. Чекан, Е. В. Овчинников, И. П. Акула [и др.] // Перспективные направления инновационного развития и подготовка кадров : сборник тезисов Междунар. науч.-практ. конф., 31 окт. – 2 нояб. 2024 г. / редкол.: Н. Н. Шалобыта [и др.]. – Брест : БрГТУ, 2024. – С. 32–35.
Structure, hardness and thermal stability of TiAlN and nanolayered TiAlN/CrN multilayer films / H. Barshilia, M. S. Prakash, A. Jain, K. Rajam // Vacuum. – 2005. – Vol. 77. – P. 169−179.
Структурно-морфологические особенности покрытий на базе соединений Al-Ti-N / Е. В. Овчинников, Н. М. Чекан, В. В. Посылкин [и др.] // Вестник Гродненского государственного университета имени Янки Купалы. Серия 6. Техника. – 2012. – № 2 (133). – С. 18–23.
Физико-механические характеристики жаростойких покрытий на основе Al-Ti-N / Н. М. Чекан, Е. В. Овчинников, Е. И. Эйсымонт [и др.] // Вестник Гродненского государственного университета имени Янки Купалы. Серия 6. Техника. – 2014. – № 1 (169). – С. 95–102.
Энергетические характеристики покрытий на базе соединений Al-Ti-N / Е. В. Овчинников, Н. М. Чекан, В. В. Посылкин [и др.] // Вестник Гродненского государственного университета имени Янки Купалы. Серия 6. Техника. – 2013. – № 1 (145). – С. 75–85.
Нанокомпозиционные покрытия, формируемые на базе соединений AlTiN / Е. В. Овчинников, Н. М. Чекан, И. П. Акула, Е. И. Эйсымонт // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. – 2013. – Т. 13, № 1. – С. 15–18.
Овчинников, Е. В. Триботехнические характеристики плазмохимических покрытий AlTiN / Е. В. Овчинников, Н. М. Чекан, И. П. Акула // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. – 2014. – № 1 (303). – С. 55–63.
Different approaches to superhard coatings and nanocomposites / S. Veprek, M. G. J. Veprek-Heijman, P. Karvankova, J. Prochazka // Thin Solid Films. – 2005. – Vol. 476. – P. 1−29.
Wasa, K. Structures and resistive properties of sputtered TiZrAlN thin films / K. Wasa, S. Hayakawa // Thin Solid Films. – 1972. – Vol. 10. – P. 367−375.
Ichimura, H. High-temperature oxidation of ion-plated TiN and TiAlN films / H. Ichimura, A. Kawana // J Mater Res. – 1993. – Vol. 8. – P. 1093−1100.
Shew, B. Y. Effects of r.f. bias and nitrogen flow-rates on the reactive sputtering of TiAlN films / B. Y. Shew, J. L. Huang, D. Lii // Thin Solid Films. – 1997. – Vol. 293. – P. 212−219.
Effect of bilayer period on structure, mechanical and thermal properties of TiAlN/AlTiN multilayer coatings / L. Chen, Y. X. Xu, D. Yong, L. Yong // Thin Solid Films. – 2015. – Vol. 592. – P. 207–214.
Tribological behaviour of low carbon-containing TiAlCN coatings deposited by hybrid (DCMS/HiPIMS) technique / W. Tillmann, D. Grisales, D. Stangier, N. F. Lopes Dias // Tribol. Int. – 2020. – Vol. 151. – P. 106528.
Овчинников, Е. В. Антифрикционные электроискровые покрытия для зубчатых передач / Е. В. Овчинников, В. И. Лунь, А. Ч. Свистун [и др.] // Горная механика и машиностроение. – 2024. – № 4. – С. 92–99.
Wear and breakage of TiAlN- and TiSiN-coated carbide tools during high-speed milling of hardened steel / C. Y. Wang, Y. X. Xie, Z. Qin [et al.] // Wear. – 2015. – Vol. 336–337. – P. 29–42. – DOI: 10.1016/j.wear.2015.04.018.
Deposition of superhard TiAlSiN thin films by cathodic arc plasma deposition / S. K. Kim, P. V. Vinh, J. H. Kim, T. Ngoc // Surf. Coat. Technol. – 2005. – Vol. 200. – P. 1391–1394. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2005.08.109.
Chang, Y.-Y. High temperature oxidation resistance of multicomponent Cr–Ti–Al–Si–N coatings / Y.-Y. Chang, C.-Y. Hsiao // Surf. Coat. Technol. – 2009. – Vol. 204. – P. 992–996. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2009.04.009.
Impact of Al and Cr alloying in TiN-based PVD coatings on cutting performance during machining of hard to cut materials / A. I. Kovalev, D. L. Wainstein, A. Y. Rashkovskiy [et al.] // Vacuum. – 2009. – Vol. 84. – P. 184–187. – DOI: 10.1016/j.vacuum.2009.06.019.
Bolz, S. F. Abscheidung nanostrukturierter Verschleißschutzschichten für Zerspanwerkzeuge mittels Kathodenzerstäubung / S. F. Bolz // RWTH Aachen University. – Shaker, Aachen, Diss, 2011.
TiAlN film preparation by Y-shape filtered-arc-deposition system / T. Mashiki, H. Hikosaka, H. Tanoue [et al.] // Thin Solid Films. – 2008. – Vol. 516. – P. 6650–6654.
Загрузки
Опубликован
Как цитировать
Выпуск
Раздел
Лицензия
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.
Авторы предоставляют материалы на условиях лицензии CC BY-NC 4.0. Эта лицензия позволяет неограниченному кругу лиц копировать и распространять материал на любом носителе и в любом формате, но с обязательным указанием авторства и только в некоммерческих целях. Пользователи не вправе препятствовать другим лицам выполнять действия, разрешенные лицензией.
