blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2017-12-966-971blackmet-1210Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEРАЗЛИЧИЯ ФИЗИКО-ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАГНЕТРОННО-ПЛАЗМЕННОГО АНТИФРИКЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ Ti –C–Mo –S, НАНЕСЕННОГО НА ПОДЛОЖКИ ИЗ СТАЛЕЙ 40Х И 20Х13DIFFERENCES IN PHYSICAL-TRIBOLOGICAL PROPERTIES OF ANTI-FRICTION ION-PLASMA Ti –C–Mo –S COATING DEPOSITED ON 20Kh13 AND 40Kh STEELSШубинА. Ю.ShubinA. Y.

аспирант кафедры точного приборостроения 

634050, Томск, пр. Ленина, 30

634050, Томск, пр. Ленина, 36

Postgraduate of the Chair of Precision Instrumentation

ayshubin@gmail.comПотекаевА. И.PotekaevA. I.

д.ф-м.н., профессор, директор Сибирского физико-технического института им. В.Д. Кузнецова (СФТИ ТГУ), заведующий лабораторией перспективных материалов и технологий

634050, Томск, пр. Ленина, 36

Dr. Sci. (Phys.-Math.), professor, Director of Siberian Physics and Technics Institute (SPTI TSU), Head of the Laboratory of Advanced Materials and Technologies

kanc@spti.tsu.ruСавостиковВ. М.SavostikovV. M.

к.т.н., ведущий технолог 

634050, Томск, пр. Ленина, 36

Cand. Sci. (Eng.), Leading Technologist

svm.53@mail.ruТабаченкоА. Н.TabachenkoA. N.

к.ф-м.н., заведующий лабораторией 

634050, Томск, пр. Ленина, 36

Cand. Sci. (Phys.-Math.), Head of the Laboratory

tabachenko@spti.tsu.ruГалсановС. В.GalsanovS. V.

к.т.н., инженер-исследователь 

634050, Томск, пр. Ленина, 36

Cand. Sci. (Eng.), Research Engineer

s_galsanov@mail.ruНациональный исследовательский Томский политехнический университет; Национальный исследовательский Томский государственный университетРоссияNational Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk; National Research Tomsk State University, TomskRussian FederationНациональный исследовательский Томский государственный университетРоссияNational Research Tomsk State University, TomskRussian Federation2017281220176012966971Copyright © Шубин А.Ю., Потекаев А.И., Савостиков В.М., Табаченко А.Н., Галсанов С.В., 20172017Шубин А.Ю., Потекаев А.И., Савостиков В.М., Табаченко А.Н., Галсанов С.В.Shubin A.Y., Potekaev A.I., Savostikov V.M., Tabachenko A.N., Galsanov S.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1210

Представлены результаты сравнительных исследований трибологических и физических свойств антифрикционного покрытия многокомпонентного состава Ti – C – Mo – S, нанесенного комбинированным магнетронно-плазменным методом на подложки из сталей 40Х и 20Х13. Покрытие на подложках из сталей 40Х и 20Х13 формировали в одной загрузке, т.е. в одинаковых условиях и при одинаковых технологических режимах путем магнетронного распыления катодов, изготовленных при помощи СВС-синтеза, и ассистирующего воздействия высокоплотной газоразрядной плазмы, формируемой плазменным источником ПИНК. В работе приведены технологические приемы, применявшиеся при нанесении покрытия. После формирования покрытия подложки подвергали фрикционным испытаниям на трибометре по схеме «pin-on-disk», линейная скорость перемещения контртел относительно друг друга составляла 50 – 60 см/с. Полученные результаты показали существенное различие трибологических характеристик покрытия в зависимости от материала подложки, в первую очередь, износостойкости. Выявлена существенная разница показателей ресурса работы покрытия на подложках из разных материалов при сравнении малолегированной хромом (примерно 1 %) стали 40Х (износостойкость более высокая) и высоколегированной хромом (примерно 13 %) сталью 20Х13. Представлены результаты оптической и электронно-растровой микроскопии треков износа, обнаружено различие в характере и степени износа покрытия на подложках из сталей 40Х и 20Х13. При помощи электронного профилометра по усредненной площади поперечного сечения дорожки трения оценен удельный износ покрытия на 1000 оборотов диска: площадь сечения дорожки износа покрытия на подложке из стали 20Х13 в четыре раза больше, чем на подложке из стали 40Х. Комплексный анализ результатов физико-трибологических исследований позволяет предположить, что выявленное различие обусловлено, в первую очередь, разным исходным химико-фазовым составом и различиями в структуре использованных в эксперименте материалов подложки, определяющих свойства легированного поверхностного слоя и прочность сцепления (адгезию) покрытия с подложкой и, в конечном счете, механизм изнашивания.

The results of comparative studies of tribological and physical properties of Ti – C – Mo – S multicomponent composition antifriction coating deposited by combined magnetron-plasma method on 40Kh and 20Kh13 steel templates are presented. Coating on 40Kh and 20Kh13 steel templates is formed in a single batch, i.e. under the same conditions and with the same technological regimes by magnetron sputtering of cathodes made by SHS synthesis and assistance of high-density gas-discharged plasma formed by HCPS plasma source. The work shows technological methods used in coating. After the coating is formed, templates were subjected to friction tests on tribometer using “pin-on-disk” scheme, linear relative speed of counter-faces was 50  –  60  cm/s. The obtained results showed a significant difference in tribological characteristics of coating, depending on template material, wear resistance in the first place. A significant difference in service life of coating on templates produced of different materials was found by comparing low-alloy chromium (about 1  %) 40Kh steel (higher wear resistance) to high-chrome chromium (about 13  %) 20Kh13 steel. Results of optical microscopy and ESM of wear and tear tracks are presented, difference in nature and degree of wear of coating formed on templates made of 40Kh and 20Kh13 steels is revealed. Using electronic profilometer, specific wear of coating per 1000 rotations of disk was estimated based on average cross-section area of friction track: cross-section area of coating wear track of 20Kh13 steel template coating is four times larger than that of 40Kh steel template. A comprehensive analysis of physical and tribological study results suggests that observed difference is primarily due to different initial chemical-phase composition and differences in structure of substrate materials used in experiment that determine properties of alloyed surface layer and adhesion strength of coating and, ultimately, wear mechanism. 

магнетронно-плазменный методантифрикционное покрытиемногокомпонентный составтрибологиятрениеизноскоэффициент тренияизносостойкостьmagnetron plasma sputtering methodanti-friction coatingmulti-component coatingtribologyfrictionwearfriction coefficientwear-resistanceReferencesMusil J., Vlček J. Physical and mechanical properties of hard nanocomposite films prepared by magnetron sputtering. – In book: Proceedings of 5th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. Vol. 3. – Tomsk, 2000. P. 393 – 398.Musil J., Vlček J. Physical and mechanical properties of hard nanocomposite films prepared by magnetron sputtering. In: Proceedings of 5th International conference on modification of materials with particle beams and plasma flows. Vol. 3. Tomsk, 2000, pp. 393–398.Савостиков В., Борисов Д., Сергеев С., Коротаев А., Пинжин Ю. Nanostructure Superhard Coatings and Technological Design of Gradient-Packet Macrostructures // Изв. вузов. Физика. 2006. № 8. Приложение. С. 502 – 507.Savostikov V., Borisov D., Sergeev S., Korotaev A., Pinzhin Yu. Nanostructure superhard coatings and technological design of gradient-packet macrostructures. Izvestiya vuzov. Fizika. 2006, no. 8, pp. 502–507. (In Russ.).Houška J., Vlček J., Hřeben S., Bilek M.M.M., McKenzie D.R. Effect of B and the Si/C ratio on high-temperature stability of Si – B – – C – N materials // Europhysics Letters. 2006. Vol. 76. P. 512 – 518.Houška J., Vlček J., Hřeben S., Bilek M.M.M., McKenzie D.R. Effect of B and the Si/C ratio on high-temperature stability of Si – B  – – C – N materials. Europhysics Letters. 2006, vol. 76, pp. 512–518.Musil J., Daniel R., Zeman P., Takai O. Structure and properties of Zr – Si – N films with a high (≥25 at.%) Sicontent // Thin Solid Films. 2005. Vol. 478. P. 238 – 247.Musil J., Daniel R., Zeman P., Takai O. Structure and properties of Zr – Si – N films with a high (≥25 at.%) Sicontent. Thin Solid Films. 2005, vol. 478, pp. 238–247.Ma S.L., Ma D.Y., Guo Y., Xu B., Wu G.Z., Xu K.W., Paul K. Synthesis and characterization of super hard, self-lubricating Ti – Si – C – N nanocomposite coatings // Acta Materialia. 2007. Vol. 55. P. 6350 – 6355.Ma S.L., Ma D.Y., Guo Y., Xu B., Wu G.Z., Xu K.W., Paul K. Synthesis and characterization of super hard, self-lubricating Ti – Si –   –  C – N nanocomposite coatings. Acta Materialia. 2007, vol. 55, pp.  6350–6355.Kwang Ho Kim, Jung Tae Ok, Sudeep Abraham, Young-Rae Cho, In-Wook Park, John J. Moore. Syntheses and mechanical properties of Ti – B – C – N coatings by a plasma-enhanced chemical vapor deposition // Surface and Coatings Technology. 2006. Vol. 201. P. 4185 – 4189.Kwang Ho Kim, Jung Tae Ok, Sudeep Abraham, Young-Rae Cho, In-Wook Park, John J. Moore. Syntheses and mechanical properties of Ti – B – C – N coatings by a plasma-enhanced chemical vapor deposition. Surface and Coatings Technology. 2006, vol.  201, pp.  4185–4189.Su Y.L., Kao W.H. Tribological behavior and wear mechanism of MoS2 – Cr coatings sliding against various counterbody // Tribology International. 2003. Vol. 36. P. 11 – 23.Su Y.L., Kao W.H. Tribological behavior and wear mechanism of MoS2 – Cr coatings sliding against various counterbody. Tribology International. 2003, vol. 36, pp. 11–23.Ersin Arslan, Özlem Baran, Ihsan Efeoglu, Yasar Totik. Evaluation of adhesion and fatigue of MoS2 – Nb solid-lubricant films deposited by pulsed-dc magnetron sputtering // Surf. Coat. Technol. 2008. Vol. 202. P. 2344 – 2348.Ersin Arslan, Özlem Baran, Ihsan Efeoglu, Yasar Totik. Evaluation of adhesion and fatigue of MoS2 – Nb solid-lubricant films deposited by pulsed-dc magnetron sputtering. Surf. Coat. Technol. 2008, vol. 202, pp. 2344–2348.Steinmann M., Muller A., Meerkamm H. A new type of tribological coating for machine elements based on carbon, molybdenum disulphide and titanium diboride // Tribology International. 2004. Vol. 37. P. 879 – 885.Steinmann M., Muller A., Meerkamm H. A new type of tribological coating for machine elements based on carbon, molybdenum disulphide and titanium diboride. Tribology International. 2004, vol. 37, pp. 879–885.Ihsan Efeoglu. Co-sputtered Mo:S:C:Ti:B based coating for tribological applications // Surface and Coatings Technology. 2005. Vol. 200. P. 1724 – 1730.Ihsan Efeoglu. Co-sputtered Mo:S:C:Ti:B based coating for tribological applications. Surface and Coatings Technology. 2005, vol.  200, pp. 1724–1730.Musil J., Novák P., Čerstvý R., Soukup Z. Tribological and mechanical properties of nanocrystalline-TiC/α-C nanocomposite thin films // J. Vac. Sci. Technol. A. 2010. Vol. 28. No. 2 (Mar/Apr). P. 244 – 249.MusilJ., Novák P., Čerstvý R., Soukup Z. Tribological and mechanical properties of nanocrystalline-TiC/α-C nanocomposite thin films. J. Vac. Sci. Technol. A. 2010, vol. 28, no. 2 (Mar/Apr), pp.  244–249.Novák P., Musil J., Čerstvý R., Jäger A. Coefficient of friction and wear of sputtered α-C thin coatings containing Mo // Surface and Coatings Technology. 2010. Vol. 205. P. 1486 – 1490.Novák P., Musil J., Čerstvý R., Jäger A. Coefficient of friction and wear of sputtered α-C thin coatings containing Mo. Surface and Coatings Technology. 2010, vol. 205, pp. 1486–1490.Rahman Mahfujur, Haider Julfikar, Dowling D.P., Duggan P., Hashmi M.S.J. Investigation of mechanical properties of TiN + MoSx coating on plasma-nitrided substrate // Surface and Coatings Technology. 2005. Vol. 200. P. 1451 – 1457.Rahman Mahfujur, Haider Julfikar, Dowling D.P., Duggan P., Hashmi M.S.J. Investigation of mechanical properties of TiN + MoSx coating on plasma-nitrided substrate. Surface and Coatings Technology. 2005, vol. 200, pp. 1451–1457.Gangopadhyay S., Acharya R., Chattopadhyay A.K., Paul S. Pulsed DC magnetron sputtered MoSx –TiN composite coating for improved mechanical properties and tribological performance // Surface and Coatings Technology. 2009. Vol. 203. P. 3297 – 3305.Gangopadhyay S., Acharya R., Chattopadhyay A.K., Paul S. Pulsed DC magnetron sputtered MoSx –TiN composite coating for improved mechanical properties and tribological performance. Surface and Coatings Technology. 2009, vol. 203, pp. 3297–3305.Renevier N.M., Hamphire J., Fox V.C., Witts J., Allen T., Teer D.G. Advantages of using self-lubricating, hard, wear-resistant MoS2 -based coatings // Surface and Coating Technology. 2001. Vol. 142-144. P. 67 – 77.Renevier N.M., Hamphire J., Fox V.C., Witts J., Allen T., Teer D.G. Advantages of using self-lubricating, hard, wear-resistant MoS2 -based coatings. Surface and Coating Technology. 2001, vol. 142-144, pp. 67–77.Пат. 2502828 РФ. Способ нанесения антифрикционного износостойкого покрытия на титановые сплавы / В.М. Савостиков, А.Н. Табаченко, А.И. Потекаев, Е.Ф. Дударев; заявл. 18.06.2012; опубл. 27.12.2013. Бюл. № 36.Savostikov V.M., Tabachenko A.N., Potekaev A.I., Dudarev E.F. Sposob naneseniya antifriktsionnogo iznosostoikogo pokrytiya na titanovye splavy [Method of applying antifriction wear-resistant coating to titanium alloys]. Patent RF no. 2502828. Byulleten’ izobretenii. 2013, no. 36. (In Russ.).Савостиков В.М., Потекаев А.И., Табаченко А.Н. Физико-технические основы создания градиентно-слоистых поверхностей многокомпонентного состава совмещением методов ионно- диффузионного насыщения, магнетронного и вакуумно-дугового осаждения // Изв. вузов. Физика. 2011. № 7. С. 26 – 34.Savostikov V.M., Potekaev A.I., Tabachenko A.N. Physical and technological principles of designing layer-gradient multicomponent surfaces by combining the methods of ion-diffusion saturation and magnetron- and vacuum-arc deposition. Russian Physics Journal. 2011, vol. 54, no. 7, pp. 756–764.Пат. 2116707 РФ. Устройство для создания низкотемпературной газоразрядной плазмы / Д.П. Борисов, Н.Н. Коваль, П.М. Щанин; заявл. 06.01.1997; опубл. 27.07.1998. Бюл. № 21.Borisov D.P., Koval’ N.N., Shchanin P.M. Ustroistvo dlya sozdaniya nizkotemperaturnoi gazorazryadnoi plazmy [Device for creating low-temperature gas-discharged plasma]. Patent RF no. 2116707. Byulleten’ izobretenii. 1998, no. 21. (In Russ.).Savostikov V.M., Potekaev A.I., Tabachenko A.N., Shulepov I.A., Kuzmichenko V.M., Didenko A. Gradient-layered tribological coatings based on Mo – S – Ti – C, created by the combined ion-plasma methods // Russian Physics Journal. 2012. Vol. 11. P. 1232 – 1240.Savostikov V.M., Potekaev A.I., Tabachenko A.N., Shulepov I.A., Kuzmichenko V.M., Didenko A. Gradient-layered tribological coatings based on Mo – S – Ti – C, created by the combined ion-plasma methods. Russian Physics Journal. 2012, vol. 11, pp. 1232–1240.Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчетов на трение и износ. – М.: Машиностроение, 1977. С. 285, 286.Kragel’skii I.V., Dobychin M.N., Kombalov V.S. Osnovy raschetov na trenie i iznos [Basics of friction and wear design calculations]. Moscow: Mashinostroenie, 1977, pp. 285–286. (In Russ.).

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