vestifmИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-математических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physics and Mathematics Series1561-24302524-2415The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-2430-2019-55-3-366-374vestifm-405Research ArticleФИЗИКАPHYSICSМеханические свойства и структурное состояние покрытий Cr–N и Ti–Cr–N, сформированных методом вакуумно-дугового осажденияMechanical properties and the structural condition of Cr–N and Ti–Cr–N coatings, formed by the vacuum-arch deposition methodКукарекоВ. А.KukarekoV. A.

Кукареко Владимир Аркадьевич – доктор физико-математических наук, профессор, начальник центра структурных исследований и трибо-механических испытаний материалов и изделий машиностроения

ул. Академическая, 12, 220072, г. Минск, Республика Беларусь

Vladimir A. Kukareko – Dr. Sc. (Physics and Mathematics), Professor, Head of the Center for Structural Research and Tribo-Mechanical Testing of Materials and Engineering Products

12, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk, Republic of Belarus

v_kukareko@mail.ruКушнеровА. В.KushnerouA. V.

Кушнеров Андрей Викторович – младший научный сотрудник

ул. Академическая, 12, 220072, г. Минск, Республика Беларусь

Andrei V. Kushnerou – Junior Researcher

12, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk, Republic of Belarus

КомаровФ. Ф.KomarovF. F.

Комаров Фадей Фадеевич – член-корреспондент, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией элионики

ул. Курчатова, 7, 220045, г. Минск, Республика Беларусь

Fadei F. Komarov – Corresponding Member, Dr. Sc. (Physics and Mathematics), Professor, Head of the Elionics Laboratory

7, Kurchatov Str., 220045, Minsk, Republic of Belarus

komarovf@bsu.byКонстантиновС. В.KonstantinovS. V.

Константинов Станислав Валерьевич – кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории элионики

ул. Курчатова, 7, 220045, г. Минск, Республика Беларусь

Stanislav V. Konstantinov – Ph. D. (Physics and Mathematics), Senior Researcher of the Elionics Laboratory

7, Kurchatov Str., 220045, Minsk, Republic of Belarus

mymail3000@tut.byСтрельницкийВ. Е.Strel’nitskijV. E.

Стрельницкий Владимир Евгеньевич – доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, начальник лаборатории сверхтвердых аморфных алмазоподобных и поликристаллических алмазных покрытий отдела ионно-плазменной обработки материалов

ул. Академическая, 1, 61108, г. Харьков, Украина

Vladimir E. Strel’nitskij – Dr. Sc. (Physics and Mathematics), Head of the Superhard Amorphous Diamond-like and Polycrystalline Diamond Coatings Laboratory of the Department of Ion-Plasma Materials Processing

1, Akademicheskaya Str., 61108, Kharkov, Ukraine

strelnitskij@kipt.kharkov.uaОбъединенный институт машиностроения Национальной академии наук БеларусиJoint Institute of Mechanical Engineering of the National Academy of Sciences of BelarusИнститут прикладных физических проблем им. А. Н. Севченко Белорусского государственного университетаA. N. Sevchenko Institute of Applied Physical Problems of Belarusian State UniversityХарьковский физико-технический институт НАН УкраиныKharkov Institute of Physics and Technology of the National Academy of Sciences of Ukraine201905102019553366374Copyright © Кукареко В.А., Кушнеров А.В., Комаров Ф.Ф., Константинов С.В., Стрельницкий В.Е., 20192019Кукареко В.А., Кушнеров А.В., Комаров Ф.Ф., Константинов С.В., Стрельницкий В.Е.Kukareko V.A., Kushnerou A.V., Komarov F.F., Konstantinov S.V., Strel’nitskij V.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestifm.belnauka.by/jour/article/view/405

Исследовано структурно-фазовое состояние, изучены механические свойства методом наноиндентирования по методике Оливера и Фарра и определена нагрузка, при которой происходит отслаивание покрытий Cr–N и Ti–Cr–N, сформированных методом вакуумно-дугового осаждения на подложках из стали 12Х18Н10т и сплава Zr2,5%Nb. Установлено, что покрытие Ti–Cr–N имеет однофазную структуру (Ti,Cr)N с гранецентрированной кубической кристаллической решеткой (ГЦК), а покрытие Cr–N состоит из нитрида хрома CrN (ГЦК). Показано, что покрытие Ti–Cr–N обладает большей твердостью и вязкостью, чем покрытие Cr–N. Вследствие легированности атомами Ti, покрытие Ti–Cr–N имеет более высокую нагрузку отслаивания по сравнению с покрытием Cr–N. При этом у покрытия Ti–Cr–N нагрузка отслаивания от подложки из сплава Zr2,5%Nb в ≈2 раза большая, чем от подложки из стали 12Х18Н10т, в то время как покрытие Cr–N, напротив, выдерживает большие нагрузки до отслаивания от подложки из стали 12Х18Н10т, чем от сплава Zr2,5%Nb.

With the development of nuclear industry, the requirements for materials capable of operating under the conditions of ionizing radiation have increased. Such materials are nitride coatings based on titanium and chromium. In the work, using X-ray diffraction, X-ray microanalysis, nanoindentation method of Oliver and Farr, scratch testing, the structural phase state and the mechanical properties of nanostructured Cr–N and Ti–Cr–N coatings formed by vacuum-arc deposition from filtered plasma on substrates of steel 12X18H10T and alloy Zr2.5%Nb are investigated. It is established that the coating based on titanium and chromium has a single-phase structure (Ti,Cr)N with a face-centered cubic crystal lattice (FCC), and the coating based on chromium consists of chromium nitride CrN (FCC). It is shown that the Ti–Cr–N coating has greater hardness and toughness than the Cr–N coating. The Ti–Cr–N coating, due to its alloying with Ti atoms, has a higher adhesive strength as compared to the Cr–N coating. At the same time, in the Ti–Cr–N coating, the adhesive strength for a substrate made of Zr2.5%Nb alloy is ≈2 times greater than for a substrate based on steel 12X18H10, which may be associated with the formation of solid solutions between Ti and Zr elements. It is shown that on the contrary, the Cr–N coating can withstand heavy loads before tearing from a substrate based on steel 12X18H10T than from that based on a Zr2.5%Nb alloy. On the basis of the obtained data, one can say about the positive effect on the mechanical properties of titanium additive in the chromium-based coating composition.

покрытия Cr–N и Ti–Cr–Nфазовый составскретч-тестированиемикротвердостьадгезияCr–N and Ti–Cr–N coatingsphase compositionmicrohardnessscratch testingadhesionReferencesKawai, M. Present status of study on development of materials resistant to radiation and beam impact / M. Kawai [et al.]. – J. Nucl. Mater. – 2008. – Vol. 377, № 1. – P. 21–27. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2008.02.060Kawai M., Kokawa H., Michiuchi M., Kurisihita H., Goto T., Futakawa M., Yoshiie T., Hasegawa A., Watanabe S., Yamamura T., Hara N., Kawasaki A., Kikuchi K. Present status of study on development of materials resistant to radiation and beam impact. Journal of Nuclear Materials, 2008, vol. 377, pp. 21–27. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2008.02.060Musil, J. Hard nanocomposite coatings: Thermal stability, oxidation resistance and toughness / J. Musil // Surf. Coat. Technol. – 2012. – Vol. 207. – P. 50–65. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2012.05.073Musil J. Hard nanocomposite coatings: Thermal stability, oxidation resistance and toughness. Surface and Coatings Technology, 2012, vol. 207, pp. 50–65. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2012.05.073Gleiter, H. Nanocrystalline materials / H. Gleiter // Progress in Materials Science. – 1989. – Vol. 33, № 4. – P. 223–315. https://doi.org/10.1016/0079-6425(89)90001-7Gleiter H. Nanocrystalline materials. Progress in Materials Science, 1989, vol. 33, pp. 223–315. https://doi.org/10.1016/0079-6425(89)90001-7Ivasishin, O. M. Nanostructured layers and coating formed by ion-plasma fluxes in titanіum alloys and steels / O. M. Ivasishin, A. D. Pogrebnjak, S. N Bratushka. – Kyiv: Akademperiodyka Publ., 2011. – 285 p. https://doi.org/10.15407/akademperiodyka.181.286Ivasishin O. M., Pogrebnjak A. D., Bratushka S. N. Nanostructured layers and coating formed by ion-plasma fluxes in titanіum alloys and steels. Kyiv, Akademperiodyka Publ., 2011. 285 p. https://doi.org/10.15407/akademperiodyka.181.286Вакуумно-плазменные покрытия на основе многоэлементных нитридов / Н. А. Азаренков [и др.] // Металлофизика и новейшие технологии. – 2013. – Т. 35, № 8. – С. 1061–1084.Azarenkov N. A., Sobol’ O. V., Bersnev V. M. Vacuum plasma coatings based on multi-element nitrides. Metallofizika i noveishie tekhnologii = Metal Physics and Newest Technologies, 2013, vol. 35, no. 8, pp. 1061–1084 (in Russian).Константинов, В. М. Адгезия покрытий Ti–N на модифицированной стальной подложке / В. М. Константинов, Г. А. Ткаченко, А. В. Ковальчук // Металлургия: респ. межведомств. сб. науч. тр. – Минск: БНТУ, 2014. – Вып. 35. – С. 272–281.Konstaninov V. M., Tkachenko G. A., Koval’chuk A. V. Adhesion of Ti–N coatings on a modified steel substrate. Metallurgiya. Respublikanskii mezhvedomstvennyi sbornik nauchnyh trudov [Metallurgy. Republican interdepartmental collection of scientific papers]. Minsk, BNTU, 2014, no. 35, pp. 272–281 (in Russian).Кравчук, К. С. Измерение трибологических свойств покрытий и композиционных материалов на субмикронном и нанометровом масштабах: дисс. … канд. техн. наук: 01.04.07 / К. С. Кравчук. – М., 2015. – 138 с.Kravchuk K. S. Measurement of the Tribological Properties of Coatings and Composite Materials on a Submicron and Nanometer. Moscow, 2015. 138 p. (in Russian).Oliver, W. C. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments / W. C. Oliver, G. M. Pharr // J. Mater. Res. – 1992. – Vol. 7, № 6. – Р. 1564–1583.Oliver W. C., Pharr G. M. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments. Journal of Materials Research, 1992, vol. 7, no. 6, pp. 1564–1583. https://doi.org/10.1557/jmr.1992.1564Oliver, W. C. Measurement of hardness and elastic modulus by instrumented indentation: Advances in understanding and refinements to methodology / W. C. Oliver, G. M. Pharr // J. Mater. Res. – 2004. – Vol. 19, № 1. – P. 3–20. https://doi.org/10.1557/jmr.1992.1564Oliver W. C., Pharr G. M. Measurement of hardness and elastic modulus by instrumented indentation: Advances in understanding and refinements to methodology. Journal of Materials Research, 2004, vol. 19, no. 1, pp. 3–20. https://doi.org/10.1557/jmr.2004.0002Структура и свойства твердых и сверхтвердых нанокомпозитных покрытий / А. Д. Погребняк [и др.] // Успехи физ. наук. – 2009. – Т. 179, № 1. – С. 1–30. https://doi.org/10.1557/jmr.2004.0002Pogrebnyak A. D., Shpak A. P., Azarenkov N. A., Beresnev V. M. Structure and properties of solid and superhard nanocomposite coatings. Uspekhi fizicheskikh nauk = Advances in the Physical Sciences, 2009, vol. 179, no. 1, pp. 1–30. https://doi.org/10.3367/ufnr.0179.200901b.0035Cavaleiro, A. Nanostructured Coatings / A. Cavaleiro, J. T. M . De Hosson. – Berlin: Springer-Verlag, 2006. – 648 p. https://doi.org/10.3367/ufnr.0179.200901b.0035Cavaleiro A., De Hosson J. T. M. Nanostructured Coatings. Berlin, Springer-Verlag, 2006. 648 p. https://doi.org/10.1007/0-387-48756-5Microstructural design of hard coatings / P. H. Mayrhofer [et al.] // Prog. Mater Sci. – 2006. – Vol. 51, № 8. – P. 1032–1114. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2006.02.002Mayrhofer P. H., Mitterer C., Hultman L., Clemens H. Microstructural design of hard coatings. Progress in Materials Science, 2006, vol. 51, no. 8, pp. 1032–1114. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2006.02.002Leyland, A. Design criteria for wear-resistant nanostructured and glassy-metal coatings / A. Leyland, A. Matthews // Surf. Coat. Technol. – 2004. – Vol. 177/178. – P. 317–324. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2003.09.011Leyland A., Matthews A. Design criteria for wear-resistant nanostructured and glassy-metal coatings. Surface and Coatings Technology, 2004, vol. 177–178, pp. 317–324. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2003.09.011Relation between microstructure and hardness of nano-composite CrN/Si 3 N 4 coatings obtained using CrSi single target magnetron system / J. Morgiel [et al.] // Vacuum. – 2013. – Vol. 90. – P. 170–175. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2012.03.043Morgiel J., Grzonka J., Mania R., Zimowski S., Labar J. L., Fogarassy Z. Relation between microstructure and hardness of nano-composite CrN/Si 3 N 4 coatings obtained using CrSi single target magnetron system. Vacuum, 2013, vol. 90, pp. 170–175. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2012.03.043Краткий справочник физико-химических величин / Н. М. Барон [и др.]. – Л.: Химия, 1983. – 232 с.Baron N. M., Ponomareva A. M., Ravdel A. A., Timofeeva Z. N. Quick Reference Physico-Chemical Quantities. Leningrad, Khimiya Publ., 1983. 232 p. (in Russian).The effect of steel substrate pre-hardening on structural, mechanical, and tribological properties of magnetron sputtered TiN and TiAlN coatings / F. F. Komarov [et al.] // Wear. – 2016. – Vol. 352/353. – Р. 92–101. https://doi.org/10.1016/j.wear.2016.02.007Komarov F. F., Konstantinov V. M., Kovalchuk A. V., Konstantinov S. V., Tkachenko H. A. The effect of steel substrate pre-hardening on structural, mechanical, and tribological properties of magnetron sputtered TiN and TiAlN coatings. Wear, 2016, vol. 352–353, pp. 92–101. https://doi.org/10.1016/j.wear.2016.02.007Федотов, А. К. Физическое материаловедение: в 3 ч. / А. К. Федотов. – Минск: Выш. шк., 2012. – Ч. 2: Фазовые превращения в металлах и сплавах. – 446 с.Fedotov A. K. Physical Materials. Part 2. Phase Transformation in Metals and Alloys. Minsk, Vysheishaya shkola Publ., 2012. 446 p. (in Russian).

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