Трибологическое поведение двухкомпонентных металлических покрытий на основе нитрида титана с различным содержанием олова

Исследовано изменение структурно-фазового состояния покрытий в зависимости от соотношения порошков титана и олова в исходной смеси, а также от расстояния воздушно-плазменного напыления. Установлено, что увеличение расстояния приводит к формированию более однородной структуры покрытий. Фазовый состав...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2018
Hauptverfasser:	Газизова, М.Ю., Иванов, М.Б., Сергеев, С.В., Вершинина, Т.Н., Береснев, В.М.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2018
Schriftenreihe:	Вопросы атомной науки и техники
Schlagworte:	Физика и технология конструкционных материалов
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/137273
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Трибологическое поведение двухкомпонентных металлических покрытий на основе нитрида титана с различным содержанием олова / М.Ю. Газизова, М.Б. Иванов, С.В. Сергеев, Т.Н. Вершинина, В.М. Береснев // Вопросы атомной науки и техники. — 2018. — № 1. — С. 62-68. — Бібліогр.: 16 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-137273
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1372732025-02-09T16:32:13Z Трибологическое поведение двухкомпонентных металлических покрытий на основе нитрида титана с различным содержанием олова Трибологічна поведінка двокомпонентних металевих покриттів на основі нітріду титану з різним вмістом олова Tribological behaviour of two-component metal coatings based on TiN with various Sn contents Газизова, М.Ю. Иванов, М.Б. Сергеев, С.В. Вершинина, Т.Н. Береснев, В.М. Физика и технология конструкционных материалов Исследовано изменение структурно-фазового состояния покрытий в зависимости от соотношения порошков титана и олова в исходной смеси, а также от расстояния воздушно-плазменного напыления. Установлено, что увеличение расстояния приводит к формированию более однородной структуры покрытий. Фазовый состав всех покрытий представлен α-Ti, Sn и нитридом титана нестехиометрического состава: TiN₀,̦₃₀ и TiN₀,̦₈₆. При большом содержании олова формируется фаза Ti₂Sn₃. Показано, что при выборе оптимальных параметров нанесения и содержания олова в покрытии можно достичь сверхнизких значений коэффициента в условиях сухого трения скольжения на воздухе – менее 0,03. Досліджено зміну структурно-фазового стану покриттів у залежності від співвідношення порошків титану і олова у вихідній суміші, а також від відстані повітряно-плазмового напилення. Встановлено, що збільшення відстані призводить до формування більш однорідної структури покриттів. Фазовий склад всіх покриттів представлено α-Ti, Sn і нітридом титану нестехіометричного складу: TiN₀,̦₃₀ і TiN₀,̦₈₆. При великому вмісті олова формується фаза Ti₂Sn₃. Показано, що при виборі оптимальних параметрів нанесення і вмісту олова в покритті можна досягти наднизьких значень коефіцієнта в умовах сухого тертя ковзання на повітрі – менше 0,03. The change of structural-phase state of coatings depending on the ratio of powders of titanium and tin in the initial mixture and the distance of the air-plasma spraying was investigated. It was established that increase in deposition distance led to a more homogeneous structure of the coating. α-Ti, Sn and non-stoichiometric titanium nitrides TiN₀,̦₃₀ and TiN₀,̦₈₆ were observed in the phase composition. With a large content of tin a Ti₂Sn₃ phase is formed. It was shown that achieving extremely low values of the coefficient of dry sliding friction less than 0.03 is possible due to choosing the optimal parameters of deposition and tin concentration. Работа проводилась в рамках государственного задания вузам №11.689 .2017/БЧ Минобрнауки РФ. 2018 Article Трибологическое поведение двухкомпонентных металлических покрытий на основе нитрида титана с различным содержанием олова / М.Ю. Газизова, М.Б. Иванов, С.В. Сергеев, Т.Н. Вершинина, В.М. Береснев // Вопросы атомной науки и техники. — 2018. — № 1. — С. 62-68. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/137273 621.793; 620.178; 621.893 ru Вопросы атомной науки и техники application/pdf Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Физика и технология конструкционных материалов Физика и технология конструкционных материалов
spellingShingle	Физика и технология конструкционных материалов Физика и технология конструкционных материалов Газизова, М.Ю. Иванов, М.Б. Сергеев, С.В. Вершинина, Т.Н. Береснев, В.М. Трибологическое поведение двухкомпонентных металлических покрытий на основе нитрида титана с различным содержанием олова Вопросы атомной науки и техники
description	Исследовано изменение структурно-фазового состояния покрытий в зависимости от соотношения порошков титана и олова в исходной смеси, а также от расстояния воздушно-плазменного напыления. Установлено, что увеличение расстояния приводит к формированию более однородной структуры покрытий. Фазовый состав всех покрытий представлен α-Ti, Sn и нитридом титана нестехиометрического состава: TiN₀,̦₃₀ и TiN₀,̦₈₆. При большом содержании олова формируется фаза Ti₂Sn₃. Показано, что при выборе оптимальных параметров нанесения и содержания олова в покрытии можно достичь сверхнизких значений коэффициента в условиях сухого трения скольжения на воздухе – менее 0,03.
format	Article
author	Газизова, М.Ю. Иванов, М.Б. Сергеев, С.В. Вершинина, Т.Н. Береснев, В.М.
author_facet	Газизова, М.Ю. Иванов, М.Б. Сергеев, С.В. Вершинина, Т.Н. Береснев, В.М.
author_sort	Газизова, М.Ю.
title	Трибологическое поведение двухкомпонентных металлических покрытий на основе нитрида титана с различным содержанием олова
title_short	Трибологическое поведение двухкомпонентных металлических покрытий на основе нитрида титана с различным содержанием олова
title_full	Трибологическое поведение двухкомпонентных металлических покрытий на основе нитрида титана с различным содержанием олова
title_fullStr	Трибологическое поведение двухкомпонентных металлических покрытий на основе нитрида титана с различным содержанием олова
title_full_unstemmed	Трибологическое поведение двухкомпонентных металлических покрытий на основе нитрида титана с различным содержанием олова
title_sort	трибологическое поведение двухкомпонентных металлических покрытий на основе нитрида титана с различным содержанием олова
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
publishDate	2018
topic_facet	Физика и технология конструкционных материалов
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/137273
citation_txt	Трибологическое поведение двухкомпонентных металлических покрытий на основе нитрида титана с различным содержанием олова / М.Ю. Газизова, М.Б. Иванов, С.В. Сергеев, Т.Н. Вершинина, В.М. Береснев // Вопросы атомной науки и техники. — 2018. — № 1. — С. 62-68. — Бібліогр.: 16 назв. — рос.
series	Вопросы атомной науки и техники
work_keys_str_mv	AT gazizovamû tribologičeskoepovedeniedvuhkomponentnyhmetalličeskihpokrytijnaosnovenitridatitanasrazličnymsoderžaniemolova AT ivanovmb tribologičeskoepovedeniedvuhkomponentnyhmetalličeskihpokrytijnaosnovenitridatitanasrazličnymsoderžaniemolova AT sergeevsv tribologičeskoepovedeniedvuhkomponentnyhmetalličeskihpokrytijnaosnovenitridatitanasrazličnymsoderžaniemolova AT veršininatn tribologičeskoepovedeniedvuhkomponentnyhmetalličeskihpokrytijnaosnovenitridatitanasrazličnymsoderžaniemolova AT beresnevvm tribologičeskoepovedeniedvuhkomponentnyhmetalličeskihpokrytijnaosnovenitridatitanasrazličnymsoderžaniemolova AT gazizovamû tribologíčnapovedínkadvokomponentnihmetalevihpokrittívnaosnovínítrídutitanuzríznimvmístomolova AT ivanovmb tribologíčnapovedínkadvokomponentnihmetalevihpokrittívnaosnovínítrídutitanuzríznimvmístomolova AT sergeevsv tribologíčnapovedínkadvokomponentnihmetalevihpokrittívnaosnovínítrídutitanuzríznimvmístomolova AT veršininatn tribologíčnapovedínkadvokomponentnihmetalevihpokrittívnaosnovínítrídutitanuzríznimvmístomolova AT beresnevvm tribologíčnapovedínkadvokomponentnihmetalevihpokrittívnaosnovínítrídutitanuzríznimvmístomolova AT gazizovamû tribologicalbehaviouroftwocomponentmetalcoatingsbasedontinwithvarioussncontents AT ivanovmb tribologicalbehaviouroftwocomponentmetalcoatingsbasedontinwithvarioussncontents AT sergeevsv tribologicalbehaviouroftwocomponentmetalcoatingsbasedontinwithvarioussncontents AT veršininatn tribologicalbehaviouroftwocomponentmetalcoatingsbasedontinwithvarioussncontents AT beresnevvm tribologicalbehaviouroftwocomponentmetalcoatingsbasedontinwithvarioussncontents
first_indexed	2025-11-27T23:59:27Z
last_indexed	2025-11-27T23:59:27Z
_version_	1849990024484880384
fulltext	62 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2018. №1(113) Раздел второй ФИЗИКА И ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ УДК 621.793; 620.178; 621.893 ТРИБОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЕДЕНИЕ ДВУХКОМПОНЕНТНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ НИТРИДА ТИТАНА С РАЗЛИЧНЫМ СОДЕРЖАНИЕМ ОЛОВА М.Ю. Газизова 1 , М.Б. Иванов 1 , С.В. Сергеев 1 , Т.Н. Вершинина 1 , В.М. Береснев 2 1 Белгородский государственный национальный исследовательский университет, Белгород, Россия; 2 Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина, Харьков, Украина Исследовано изменение структурно-фазового состояния покрытий в зависимости от соотношения порошков титана и олова в исходной смеси, а также от расстояния воздушно-плазменного напыления. Установлено, что увеличение расстояния приводит к формированию более однородной структуры покрытий. Фазовый состав всех покрытий представлен α-Ti, Sn и нитридом титана нестехиометрического состава: TiN0,30 и TiN0,86. При большом содержании олова формируется фаза Ti2Sn3. Показано, что при выборе оптимальных параметров нанесения и содержания олова в покрытии можно достичь сверхнизких значений коэффициента в условиях сухого трения скольжения на воздухе – менее 0,03. ВВЕДЕНИЕ Интерес к созданию самосмазывающихся покрытий, не требующих дополнительного введения смазки в область фрикционного контакта, возник давно и был практически реализован на примере многокомпонентных покрытий, одновременно содержащих твердую фазу с включениями мягкой (например, Сu, In, Sn, Pb) [1–3], или за счет введения в состав покрытий слоистых твердых смазок, таких как MoS2, WS2, H3BO4, графит [4–8]. Применение в качестве смазки мягких материалов особо актуально для металлов, склонных к контактному схватыванию при трении, например, таких как титан или алюминий. В условиях трения скольжения со смазкой из мягкого металла на поверхности формируется защитная пленка, которая препятствует переносу материала на поверхность контртела и возникновению фрикционных связей. Использование мягких металлов в качестве смазки позволяет существенно снизить коэффициент трения. Так, сплавы на основе системы Al-Sn широко используются в качестве материала для создания подшипников скольжения [9, 10]. Однако для обеспечения низких/сверхнизких значений коэффициентов трения необходимо высокое содержание олова в составе сплавов. Это приводит к резкому снижению их прочности при повышении концентрации олова более чем на 10…15% [11]. Альтернативным методом улучшения трибологических характеристик с сохранением свойств подложки является создание на поверхности многокомпонентных покрытий. С этой точки зрения перспективным методом является метод воздушно- плазменного нанесения, который позволяет создавать композиционные покрытия на основе широкого класса материалов, в том числе материалов с высокой склонностью к окислению (Al, Ti) [12, 13]. С использованием этого метода возможно нанесение покрытий, состоящих не только из чистых металлов, но и из их оксидов и/или нитридов, что позволяет создавать твердую металлическую или керамическую матрицу с включениями более мягкой и снизить не только коэффициент трения, но и повысить твердость и износостойкость. Цель настоящей работы: исследование влияния режимов воздушно-плазменного метода нанесения и концентрации олова в покрытиях на основе титана/нитрида титана на их структурно-фазовое состояние и трибологические характеристики. 1. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ Формирование покрытий проводилось методом воздушно-плазменного напыления в смеси газов водородазот. Для исследования влияния расстояния l между соплом и обрабатываемой поверхностью на структуру и фазовый состав покрытий обработка проводилась с l = 80 и 160 мм. В качестве сырья были выбраны смеси порошков титана и олова с содержанием последнего 30 и 50% (весовые проценты). В качестве подложки выбрана сталь AISI 312. Трибологические испытания проводились на автоматизированной машине трения (High- Temperature b , S In u n , вейцария) по схеме испытания «шарик–диск» в условиях сухого трения на воздухе. В качестве контртела использовался корундовый шарик диаметром 6 мм. Исследования износостойкости образцов проводились при следующих параметрах: р = 2 Н, v = 10 см/с, l = 1000 м, r = 4,7 мм. Испыта- ния соответствуют международным стандартам ASTM 99-959, I 5032 . Непосредственно в процессе испытаний определялись коэффициент трения и сила трения фрикционной пары. После испытаний производилась оценка износостойкости образца и контртела по величине значения фактора ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2018. №1(113) 63 износа. Для определения фактора износа образца измеряли площадь поперечного сечения дорожки износа в пяти областях по трем точкам прецизионным контактным профилометром Surtronic 25. Оценка фактора износа контртела выполнялась на основании измерений диаметра пятна износа с использованием оптического микроскопа Olympus GX 71. Исследования микроструктуры покрытий и морфологии поверхности дорожки трения проводились растровым электронным микроскопом FEI Quanta200, дополнительно оснащенным энергодисперсионным микроанализом (E X). Твердость поверхности оценивалась по методу Роквелла при помощи твердомера Wolpert Wilson Rockwell 600-MRD. Измерения нанотвердости отдельных структурных составляющих покрытия проводились нанотвердомером SHIMADZU Dynamic Ultra-micro Hardness Tester DUH-211 при нагрузке на индентор 25 и 50 мН. Исследования фазового состава проводились методом рентгеноструктурного анализа на рентгеновском дифрактометре ARLX' RA в фокусировке Брегга-Брентано на u-Kα-излучении в диапазоне углов 2θ = 20…100°. 2. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ 2.1. ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И МИКРОСТРУКТУРА На рис. 1 показаны микроструктуры покрытий с различной концентрацией олова, нанесенных с расстояния 80 и 160 мм. Независимо от режима нанесения структура покрытий имеет равномерно распределенные слои олова с небольшим количеством пор. Титановые прослойки неравномерны по толщине, присутствуют включения частиц глобулярной формы, которые, предположительно, не расплавились в процессе напыления покрытия. Увеличение расстояния нанесения от 80 до 160 мм приводит к снижению количества таких включений и формированию более однородной структуры (см. рис. 1,в). Исследования толщины покрытия показали, что состав порошковой смеси и расстояния нанесения не оказывают влияния на толщину формируемых слоев, которая варьируется от 330 до 390 мкм (см. рис. 1). Уровень шероховатости покрытий, сформированных воздушно-плазменным методом, для всех режимов нанесения высок (табл. 1). Так, среднеарифметическое отклонение профиля Ra для режима 50%Sn (80 мм) составляет (13,7±0,6) мкм, увеличение расстояния нанесения покрытия до 160 мм приводит к снижению Ra до (11,9±0, ) мкм. Аналогичная картина наблюдается и для состава покрытия с 30% содержанием олова, изменение расстояния между обрабатываемой поверхностью и соплом плазматрона позволяет снизить уровень шероховатости (см. табл. 1). Рис. 1. Микроструктуры покрытий в поперечном сечении: а – 50%Sn (80 мм); б – 30%Sn (80 мм); в – 50%Sn (160 мм); г – 30%Sn (160 мм) а б в г Sn поры 64 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2018. №1(113) Таблица 1 Значения шероховатости поверхности покрытий В связи с тем, что высокая шероховатость поверхности может внести существенный вклад в ширину дифракционных пиков и, как следствие, затруднить последующий анализ дифрактограммы, образцы перед исследованием фазового состава подвергались шлифовке с последующей полировкой на общую глубину ~ 20 мкм. Все исследуемые покрытия представлены несколькими основными фазами, такими как α-Ti, Sn, и двумя фазами нитрида титана нестехиометрического состава: TiN0,30 и TiN0,86 (рис. 2). Кроме этого, при анализе дифрактограммы, полученной для образца 50%Sn (l = 80 мм), была обнаружена фаза Ti2Sn3 (см. рис. 2,а). Формирование данной фазы характерно для областей с высоким содержанием олова в результате перитектической реакции фазы Ti6Sn5 c расплавом олова в интервале температур 550…750 °С [14]. Станнид титана Ti2Sn3 характеризуется орторомбической кристаллической структурой со следующими параметрами решетки: a = 595,56 pm, b = 1996,4 pm, c = 702,81 pm [15]. Подробное описание структуры и физических свойств указанной фазы представлено в работах [14–16]. Рис. 2. Рентгенограммы покрытий: а – 50%Sn, l = 80 мм; б – 50%Sn, l = 160 мм; в – 30%Sn, l = 80 мм; г – 30%Sn, l = 160 мм С увеличением содержания олова в исходной порошковой смеси увеличивается и его содержание в покрытии. Увеличение же расстояния напыления приводит к увеличению объемной доли нитрида титана по отношению к металлической составляющей. С целью определения природы глобулярных частиц в структуре покрытий были проведены измерения их нанотвердости при нагрузке на индентор 50 и 25 мН. Согласно полученным данным значение нанотвердости, измеренной по методу Виккерса, в центре частиц соответствует твердости титана HV50мН = 20±20 (рис. 3), в то время как твердость на периферии частицы резко возрастает. Так, нанотвердость для частицы в покрытии 50%Sn (80 мм) составляет HV25мН = 1150 (см. рис. 3,a, отпечаток 3), а для образца с покрытием 30%Sn (80 мм) HV25мН = 900 (см. рис. 3,б, отпечаток 3). Такие высокие значения твердости обусловлены формированием в поверхностных слоях частиц, которые не успели расплавиться в плазменной струе, тонких азотированных слоев с образованием нитрида титана, определяемого по рентгенофазовому анализу. Твердость покрытий зависит от содержания олова и расстояния их нанесения (табл. 2). Твердость покрытий увеличивается с уменьшением содержания олова и с увеличением расстояния нанесения. Очевидно, что последний факт является следствием увеличения содержания нитрида титана в составе покрытий при одновременном уменьшении содержания металлического титана при увеличении расстояния напыления. Режим нанесения покрытия Ra, мкм RZ, мкм 50%Sn (80 мм) 13,7±0,6 66,4 30%Sn (80 мм) 1 ,5±0,6 72,3 50%Sn (160 мм) 11,9±0,4 57,0 30%Sn (160 мм) 12,3±0,4 59,4 а б в г ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2018. №1(113) 65 Рис. 3. Отпечатки индентора после измерения нанотвердости в глобулярных частицах в покрытиях: а – 50%Sn (80 мм), 1 – HV50мН = 420, 2 – HV25мН = 780, 3 – HV25мН=1150; б – 30%Sn (80 мм), 1 – HV50мН = 400, 2 – HV25мН = 400, 3 – HV25мН = 900 2.2. ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА На рис. 4 представлены графики зависимости изменения коэффициента трения от расстояния в условиях сухого трения. Анализ полученных зависимостей показал, что покрытия, нанесенные с расстояния l = 160 мм, имеют более низкие значения коэффициента трения, чем покрытия, сформированные при l = 80 мм. Так, коэффициент трения для покрытия 30%Sn при l = 80 мм в начале испытаний равен 0,2, а после этапа приработки он резко повышается до значения 0,85 (см. рис. 4,а). Увеличение процентного содержанием олова до 50%, с одной стороны, повышает коэффициент трения на этапе приработки до 0,6, а с другой,  значение коэффициента трения имеет тенденцию к снижению в зависимости от пройденного пути и к моменту окончания испытаний составляет 0,17 (см. рис. 4,а). Противоположная зависимость наблюдается для покрытий, нанесенных с расстояния 160 мм. Коэффициент трения вне зависимости от содержания олова в покрытиях на этапе нормального износа имеет стабильно низкие и сверхнизкие значения  менее 0,03 (см. табл. 2). Рис. 4. Графики зависимости изменения коэффициента трения от пути трения для покрытий с разным содержанием олова, нанесенных по режимам: а – расстояние l = 80 мм, б – расстояние l = 160 мм При этом стоит отметить, что длительность этапа приработки отличается для образцов с 30 и 50% содержанием олова. Так, приработка для образца 30%Sn при l = 160 мм заканчивается после 350 м, в то время как для 50%Sn при l = 160 мм – только после 550 м. Известно, что длительность этапа приработки является одной из основных характеристик трибологических свойств, так как именно этот этап характеризуется максимально повышенным износом контактирующих поверхностей. Данным эффектом и объясняется разница в значениях фактора износа для образцов 30%Sn при l = 160 мм и 50%Sn при l = 160 мм, несмотря на более низкий коэффициент трения покрытия с большим содержанием олова на этапе нормального износа (см. табл. 2). Износостойкость образцов с покрытием, нанесенным с расстояния 80 мм, ниже, чем для покрытий, полученных при l = 160 мм (см. табл. 2). Так, наибольшее значение фактора износа (2,0∙10 -5 мм 3 ∙Н/м) наблюдается при испытаниях покрытия состава 30%Sn l = 80 мм, в то же время минимальный фактор износа (0,9∙10 -5 мм 3 ∙Н/м) соответствует этому же составу покрытия, но сформированному с расстояния 160 мм. Покрытия с 50% содержанием олова, хотя и не имеют такой ярко выраженной разницы в значениях фактора износа в зависимости от расстояния нанесения, но общую закономерность сохраняют: фактор износа при l = 80 и 160 мм равен а a б б 66 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2018. №1(113) 1,3∙10 -5 и 1,1∙10 -5 мм 3 ∙Н/м соответственно. Необходимо отметить, что этап полного разрушения нанесенного покрытия вне зависимости от режима обработки не наступил. Это подтверждается тем, что толщина покрытий на порядок превышает значение глубины разрушаемого слоя (табл. 3). Таблица 2 Фактор износа, коэффициент трения и твердость в зависимости от режима нанесения покрытия Режим нанесения покрытия Фактор износа контртела, х10 -5 мм 3 ∙Н/м Фактор износа образца, х10 -5 мм 3 ∙Н/м μн μср HRA 50%Sn (80 мм) 1,3 2,3 0,39 0,17 46,4 30%Sn (80 мм) 2,0 5,0 0,92 1,05 49,2 50%Sn (160 мм) 1,1 1,2 0,19 0,016 51,0 30%Sn (160 мм) 0,9 0,15 0,13 0,028 55,4 Таблица 3 Толщина покрытий и максимальная глубина разрушенного слоя после трибологических испытаний Режим нанесения покрытий Толщина покрытия, мкм Глубина разрушае- мого слоя, мкм 50%Sn (80 мм) 387 30 30%Sn (80 мм) 344 42 50%Sn (160 мм) 353 20 30%Sn (160 мм) 335 20 Измерения твердости поверхности имеют хорошую согласованность с результатами трибологических испытаний. Так, максимальное значение HRA (55,4) соответствует наименьшему значению фактора износа (0,9∙10 -5 мм 3 ∙Н/м), наблюдаемого для покрытия 30%Sn (160 мм) (см. табл. 2). Снижение твердости до HRA = 51,0 при увеличении содержания олова в покрытии при l = 160 мм до 50% приводит к уменьшению износостойкости. Для покрытий при расстоянии нанесения l = 80 мм характерна более низкая твердость (см. табл. 2). Причины разницы в трибологических свойствах могут быть установлены путем изучения морфологии поверхности дорожки трения. Интересен тот факт, что для всех исследуемых покрытий на изношенной поверхности в местах наличия глобулярных (неоплавленных) частиц наблюдается образование канавок со следами пластического оттеснения материала (рис. 5). Такое поведение характерно для мягких материалов при наличии в месте фрикционного контакта более твердой фазы, которая в процессе испытаний может разрушаться и, тем самым, создавать абразив, или в случае сохранения целостности твердой составляющей способствовать процессу трения о закрепленный абразив. Стоит отметить, что в первом случае в области фрикционного контакта должны наблюдаться абразивные частицы. Так, анализ изображений поверхности дорожки трения образцов с 30%Sn показал, что на поверхности покрытий, сформированных с расстояния l = 80 мм, присутствует большее количество абразивных частиц в сравнении с l = 160 мм (см. рис. 5). Можно предположить, что при трибологических испытаниях покрытий, нанесенных с большего расстояния, износ происходит по механизму  «трение о закрепленный абразив». Такое изменение механизма износа происходит в связи с увеличением количества нитрида титана и одновременным снижением доли неоплавленных частиц металлического титана в составе покрытия при переходе от режима нанесения при l = 80 мм на режим при l = 160 мм. Стоит отметить, что структура изношенной поверхности неоплавленных частиц характерна для дорожек трения титана, что также согласуется с данными нанотвердости. Рис. 5. Морфология поверхности дорожки трения: a – 30%Sn (160 мм); б – 30%Sn (80 мм) «канавка» абразив б а ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2018. №1(113) 67 В целом анализ изношенной поверхности покрытий показал, что в процессе трения независимо от состава покрытий происходит «выдавливание» олова на поверхность фрикционного контакта с последующим формированием тонкой пленки олова, выступающей в качестве смазки. Данное предположение также подтверждается зависимостью изменения коэффициента трения от его пути (см. рис. 4). При контакте образца с контртелом на начальном этапе (этап приработки) трение происходит в основном по выступающим неровностям нитрида титана, который отличается высокой твердостью и износостойкостью. Данный этап характеризуется высокими значениями коэффициента трения. Затем при формировании тонкой пленки олова происходит резкое снижение коэффициента трения. Однако в случае, если доля сформировавшейся нитридной фазы недостаточна и происходит ее разрушение, то наблюдаются снижение износостойкости, повышение коэффициента трения и изменение механизма изнашивания на абразивный с трением о незакрепленные частицы. Необходимо отметить, что в большинстве случаев происходит сразу несколько механизмов изнашивания. В данном случае наряду со следами изнашивания, характерными для абразивного механизма, имеются следы и адгезионного. Причем с повышением доли олова в составе покрытий и уменьшением расстояния нанесения адгезионная составляющая становится более ярко выраженной. ВЫВОДЫ Методом воздушно-плазменного напыления получены однородные износостойкие покрытия на основе нитрида титана с различным содержанием олова. Результаты рентгенофазового анализа показали присутствие в составе покрытий исходных наносимых компонентов порошковой смеси (олова и титана), а также наличие нитридов титана (TiN0,30, TiN0,86). Для покрытий, характеризующихся большой объемной долей нитрида титана при невысоком содержании олова (30%), а также не содержащих глобулярных включений неоплавленных частиц металлического титана, наблюдаются сверхнизкие значения коэффициента трения (≤ 0,03) и высокая износостойкость в условиях трения скольжения. Анализ зависимостей изменения коэффициента трения от его пути, а также морфологии поверхности дорожки трения показал, что разрушение покрытий не наступает в исследуемых условиях испытаний для всех режимов нанесения. При этом основным механизмом изнашивания является абразивный в комбинации с адгезионным. Таким образом, исследуемая система является перспективной с точки зрения создания износостойких самосмазывающихся покрытий, способных работать в условиях высоких нагрузок и скоростей трения. Работа проводилась в рамках государственного задания вузам №11.689 .2017/БЧ Минобрнауки РФ. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. A. Savana, E. Pfliiger, R. Goller, et al. Use of nanoscaled multilayer and compound films to realize a soft lubrication phase within a hard, wear-resistant matrix // Surface and Coatings Technology. 2001, v. 26, p. 159-165; DOI: 10.1016/S0257-8972(00)00542-9. 2. X. Liu, M.Q. Zeng, Y. Ma, M. Zhu. Wear behavior of Al-Sn alloys with different distribution of Sn dispersoids manipulated by mechanical alloying and sintering // Wear. 2008, N 265, p. 1857-1863; DOI:10.1016/j.wear.2008.04.050. 3. I.A. Podchernyaev, D.V. Yurechko, V.M. Pana- shenko. Some trends in the development of wear- resistant functional coatings // Powder Metallurgy and Metal Ceramics. 2013, v. 52, N 3-4, p. 176-188; DOI: 10.1007/s11106-013-9511-0. 4. E. A lan, F. Bülbül, I. Ef glu. Thestructural and tribological properties of MoS2-Ti composite solid lubricants // Tribology Transactions. 2004, v. 47, N 2, p. 218-226; DOI: 10.1080/05698190490438987. 5. S.L. Ma, D.Y. Ma, Y. Guo, et al. Synthesis and characterization of super hard, self-lubricating Ti-Si-C-N nanocomposite coatings // Acta Materialia. 2007, v. 55, N 18, p. 6350-6355; DOI: 10.1016/j.actamat.2007.07.046. 6. Ph.V. Kiryukhantsev-Korneev, P.A. Trukhanov, A.V. Bondarev, et al. Structure and properties of tribologicalcoatings in Cu-B-system // The Physics of Metals and Metallography. 2014, v. 115, N 7, p. 716- 722; DOI: 10.1134/S0031918X14040085/. 7. Jun-Feng Yang1, Yan Jiang, Jens Hardell, et al. Influence of service temperature on tribological characteristics of self-lubricant coatings: A review // Frontiers Materials Science. 2013, v. 7, N 1, p. 28-39; DOI: 10.1007/s11706-013-0190-z. 8. Xinhong Lu, Kaiwen Yao, Jun Ouyang, et al. Tribological characteristics and tribo-chemical mechanisms of Al-Mg-Ti-B coatings under water-glycol lubrication // Wear. 2015, v. 326-327, p. 68-73; DOI: 10.1016/j.wear.2014.12.034. 9. Sheng-cheng Zhang, Qing-lin Pan, Jie Yan, Xing Huang. Effects of sliding velocity and normal load on tribological behavior of aged Al-Sn-Cu alloy // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2016, v. 26, N 7, p. 1809-1819; DOI: 10.1016/S1003- 6326(16)64292-9. 10. Z.C. Lu, Y. Gao, M.Q. Zeng, M. Zhu. Improving wear performance of dual-scale Al–Sn alloys: The role of Mg addition in enhancing Sn distribution and tribolayer stability // Wear. 2014, v. 309, p. 216-225; DOI: 10.1016/j.wear.2013.11.018. 11. А.Л. Скоренцев, Н.М. Русин, Е.А. Колубаев. Влияние равноканального углового прессования на структуру и свойства антифрикционного сплава Al-40Sn // Известия Томского политехнического университета. 2013, т. 323, №2, с. 104-107. 12. J.R. Davi. Handbook of Thermal Spray Technology. First printing, 2004. 13. Ma Qian, Francis H. Froes. Thermal spray forming of titanium and its alloys. Titanium Powder Metallurgy, 2015; DOI: 10.1016/B978-0-12-800054- 0.00023-X. https://doi.org/10.1016/S0257-8972(00)00542-9 https://doi.org/10.1016/j.wear.2008.04.050 68 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2018. №1(113) 14. B nd Künn n, W lfgang J chk , un Kotzyba, et al. Crystal structure and properties of the titanium stannide Ti2Sn3 // Z. Naturforsch. 2000, v. 55b, p. 425-430. 15. Holger Kleinke, Markus Waldeck, and Philipp Gutlich. Ti2Sn3: A novel binary intermetallic phase, prepared by chemical transport at intermediate // Temperature Chem. Mater. 2000, v. 12, p. 2219-2224. 16. Ch. Kuper, W. Peng, A. Pisch, F. Goesmann, R. Schmid-Fetzer. Phase formation and reaction kinetics in the system Ti-Sn // Z. Metallkd. 1998, v. 89, N 12, p. 855-862. Статья поступила в редакцию 23.10.2017 г. ТРИБОЛОГІЧНА ПОВЕДІНКА ДВОКОМПОНЕНТНИХ МЕТАЛЕВИХ ПОКРИТТІВ НА ОСНОВІ НІТРІДУ ТИТАНУ З РІЗНИМ ВМІСТОМ ОЛОВА М.Ю. Газизова, М.Б. Іванов, С.В. Сергєєв, Т.Н. Вершиніна, В.М. Береснєв Досліджено зміну структурно-фазового стану покриттів у залежності від співвідношення порошків титану і олова у вихідній суміші, а також від відстані повітряно-плазмового напилення. Встановлено, що збільшення відстані призводить до формування більш однорідної структури покриттів. Фазовий склад всіх покриттів представлено α-Ti, Sn і нітридом титану нестехіометричного складу: TiN0,30 і 0,86. При великому вмісті олова формується фаза 2Sn3. Показано, що при виборі оптимальних параметрів нанесення і вмісту олова в покритті можна досягти наднизьких значень коефіцієнта в умовах сухого тертя ковзання на повітрі – менше 0,03. TRIBOLOGICAL BEHAVIOUR OF TWO-COMPONENT METAL COATINGS BASED ON TiN WITH VARIOUS Sn CONTENTS M.Yu. Gazizova, M.B. Ivanov, S.V. Sergeev, T.N. Vershinina, V.M. Beresnev The change of structural-phase state of coatings depending on the ratio of powders of titanium and tin in the initial mixture and the distance of the air-plasma spraying was investigated. It was established that increase in deposition distance led to a more homogeneous structure of the coating. α-Ti, Sn and non-stoichiometric titanium nitrides TiN0.30 and TiN0.86 were observed in the phase composition. With a large content of tin a Ti2Sn3 phase is formed. It was shown that achieving extremely low values of the coefficient of dry sliding friction less than 0.03 is possible due to choosing the optimal parameters of deposition and tin concentration.

Трибологическое поведение двухкомпонентных металлических покрытий на основе нитрида титана с различным содержанием олова

Institution

Ähnliche Einträge