Mechanical and tribological behavior of multilayer  and monolayer TiN-based coatings

Б.К.  Кенжалиев; А.К.  Кенжегулов; A.A.  Мамаева; А.В. Паничкин; Б.Б.  Кшибекова

doi:10.51301/ejsu.2025.i3.01

Авторы

Б.К. Кенжалиев Металлургия және кен байыту институты, Қазақстан
А.К. Кенжегулов Металлургия және кен байыту институты, Қазақстан
A.A. Мамаева Металлургия және кен байыту институты, Қазақстан
А.В. Паничкин Металлургия және кен байыту институты, Қазақстан
Б.Б. Кшибекова Металлургия және кен байыту институты, Қазақстан

##plugins.pubIds.doi.readerDisplayName##:

https://doi.org/10.51301/ejsu.2025.i3.01

Ключевые слова:

көпқабатты жабын, магнетронды бүрку, үйкеліс коэффициенті, наноқаттылық, тозуға төзімділік

Аннотация

Берілген жұмыста тұрақты токты магнетронды бүрку әдісімен титан негізіндегі (ВТ1-0) үлгілерге тұндырылған моноқабатты TiN және көпқабатты TiN/TiCN жабындарының механикалық және трибологиялық қасиеттері зерттелді. Жабындардың микроқұрылымы, наноқаттылығы, серпімділік модулі және майланған үйкеліс жағдайындағы трибологиялық сипаттамалары талданды. Сканерлейтін электрондық микроскопия (СЭМ) нәтижелері барлық жабындардың біртекті және ақаусыз, бағана құрылымды микроструктураға ие екенін көрсетті. Наноиндентация әдісі бойынша алынған мәліметтерге сәйкес, TiN/TiCN көпқабатты жабындарының қаттылығы (23.5 ГПа дейін) мен серпімділік модулі (191 ГПа) моноқабатты TiN-мен салыстырғанда жоғары, бұл қабатаралық беріктену және қалдық кернеулердің қайта бөлінуімен түсіндіріледі. «Шар-диск» схемасы бойынша майланған үйкеліс жағдайында жүргізілген трибологиялық сынақтар көпқабатты жабындардың үйкеліс коэффициентінің (0.1–0.13) төмен екенін және тозуға төзімділігінің жоғары екенін көрсетті. Бұл нәтиже TiCN қабаттарының енгізілуімен байланысты, олар жабын бетінің адгезиясын төмендетіп, жүктеменің біркелкі таралуына және қорғаныштық трибоқабат түзілуіне ықпал етеді. Алынған нәтижелер TiN/TiCN көпқабатты жабындарының механикалық және трибологиялық қасиеттерінің жақсарғанын дәлелдейді және оларды үйкеліс пен тозуға ұшырайтын инженерлік компоненттерде қолдануға болашағы зор екенін көрсетеді.

Библиографические ссылки

Karar, G.C., Kumar, R. & Chattopadhyaya, S. (2024). De-velopments on friction surfaced coatings for corrosion, wear-resistant and composite. Surface Engineering. 41(1), 8-24. https://doi.org/10.1177/02670844241293139

Abdulvaliev, R.A., Surkova, T.Y., Baltabekova, Z.A., Yessimova, D.M., Stachowicz, M., Smailov, K.M. & Berkinbayeva, A.N. (2025). Effect of amino acids on the ex-traction of copper from sub-conditional raw materials. Kom-pleksnoe Ispolzovanie Mineralnogo Syra = Complex Use of Mineral Resources, 335(4), 50–58. https://doi.org/10.31643/2025/6445.39

Yeligbayeva, G., Khaldun, M., Alfergani, A.A., Tleugali-yeva, Z., Karabayeva, A., Bekbayeva, L., Zhetpisbay, D., Shadin, N. & Atabekova, Z. (2024). Polyurethane as a versa-tile polymer for coating and anti-corrosion applications: A review. Kompleksnoe Ispolzovanie Mineralnogo Syra = Complex Use of Mineral Resources, 331(4), 21–41. https://doi.org/10.31643/2024/6445.36

Shakib, S.E. & Babakhani, A. (2023). Nanomechanical assessment of tribological behavior of TiN/TiCN multi-layer hard coatings deposited by Physical vapor deposition. Jour-nal of Materials Research and Technology, 25, 1344-1354. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.05.243

Ospanov, K.K., Smailov, K.M. & Nuruly, Y. (2020). Patterns of non-traditional thermodynamic functions ΔrG⁰/n and Δf(G̅⁰) changes for cobalt minerals. Chemical Bulletin of Ka-zakh National University, 96(1), 22–30. https://doi.org/10.15328/cb1005

Mamayeva, A.A., Kenzhegulov, A.K., Panichkin, A.V., Kshibekova, B.B. & Bakhytuly, N. (2022). Deposition of carbonitride titanium coatings by magnetron sputtering and its effect on tribo-mechanical properties. Kompleksnoe Ispol-zovanie Mineralnogo Syra = Complex Use of Mineral Re-sources, 321(2), 65-78. https://doi.org/10.31643/2022/6445.19

Kenzhegulov, A.K., Mamayeva, A.A. & Panichkin, A.V. (2017). Adhesion properties of calcium phosphate coatings on titanium. Kompleksnoe Ispolzovanie Mineralnogo Syra = Complex Use of Mineral Resources, 3, 35-41.

Bakhytuly, N., Kenzhegulov, A., Nurtanto, M., Aliev, A. & Kuldeev, E. (2023). Microstructure and tribological study of TiAlCN and TiTaCN coatings. Kompleksnoe Ispolzovanie Mineralnogo Syra = Complex Use of Mineral Resources, 327(4), 99-110. https://doi.org/10.31643/2023/6445.45

Su, Y.L. & Kao, W.H. (1998). Tribological behavior and wear mechanisms of TiN/TiCN/TiN multilayer coatings. Journal of Materials Engineering and Performance, 7, 601-612. https://doi.org/10.1361/105994998770347440

Kashyap, A., Harsha, A.P., Barshilia, H.C., Bonu, V., Ku-mar, V.P. & Singh, R. K. (2020). Study of tribological prop-erties of multilayer Ti/TiN coating containing stress-absorbing layers. Journal of Tribology, 142(11), 111401. https://doi.org/10.1115/1.4047195

Galanov, B.A. & Dub, S. (2017). Critical comments to the Oliver–Pharr measurement technique of hardness and elastic modulus by instrumented indentations and refinement of its basic relations. Journal of Superhard Materials, 39(6), 373-389. https://doi.org/10.3103/S1063457617060016

DIN 50324. (1992). Tribology; Testing of friction and wear model test for sliding friction of solids (ball on disc system). German Institute for Standardisation: Berlin, Germany.

Lapitskaya, V.A., Nikolaev, A., Khabarava, A., Sadyrin, E.V., Antipov, P., Abdulvakhidov, K., Aizikovich, S.M. & Chizhik, S. (2023). The influence of nitrogen flow on the stoichiometric composition, structure, mechanical, and mi-crotribological properties of TiN coatings. Materials, 17(1), 120. https://doi.org/10.3390/ma17010120

Zheng, J., Hao, J., Liu, X., Gong, Q. & Liu, W. (2012). A thick TiN/TiCN multilayer film by DC magnetron sputtering. Surface & Coatings Technology, 209, 110-116. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2012.08.045

Cicek, H. (2018). Wear behaviors of TiN/TiCN/DLC compo-site coatings in different environments. Ceramics Interna-tional, 44(5), 4853-4858. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2017.12.074

Lin, Y.W., Chih, P.C. & Huang, J.H. (2020). Effect of Ti interlayer thickness on mechanical properties and wear re-sistance of TiZrN coatings on AISI D2 steel. Surface and Coatings Technology, 394, 125690. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.125690

Badita-Voicu, L.L., Zapciu, A., Angelescu, D. & Voicu, A.C. (2024). Increasing the wear resistance of hip prostheses components using micro-nanostructured thin layers. Pro-ceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 09544062241242655 https://doi.org/10.1177/09544062241242655

Musil, J. & Jirout, M. (2007). Toughness of hard nanostruc-tured ceramic thin films. Surface and Coatings Technology, 201, 5148-5152. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2006.07.020

Leyland, A. & Matthews, A. (2000). On the significance of the H/E ratio in wear control: a nanocomposite coating ap-proach to optimized tribological behavior. Wear, 246, 1-11. https://doi.org/10.1016/S0043-1648(00)00488-9

Leitans, A., Jansons, E., Lungevics, J., Kundzins, K., Boiko, I., Kanders, U. & Linins, O. (2023). Tribological and micro-mechanical properties of the nanostructured carboni-tride/nitride coatings of transition metals alloyed by Hf and Nb. Coatings, 13(3), 552. https://doi.org/10.3390/coatings13030552

Guo, D., Zheng, W.S., Huang, T.L., Zhang, S.L., & Guo, F. (2022). Friction and wear properties of multilayer films de-signed on tantalum substrate. Materials Science Forum, 1078, 121-135. https://doi.org/10.4028/p-l75xgh

Larhlimi, H., Jaghar, N., Lahouij, M., Abegunde, O., Makha, M. & Alami, J. (2024). Effect of carbon content on the tribo-logical behaviour of TiCx coatings prepared by reactive HiP-IMS. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 120, 106599. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2024.106599

Wei, C., Lin, J.F., Jiang, T.H. & Ai, C.F. (2001). Tribological characteristics of titanium nitride and titanium carbonitride multilayer films: Part I. The effect of coating sequence on material and mechanical properties. Thin Solid Films, 381(1), 94-103. https://doi.org/10.1016/S0040-6090(00)01540-6

Madej, M., Kowalczyk, J., Ozimina, D. & Milewski, K. (2018). The tribological properties of titanium carbonitride TiCN coating lubricated with non-toxic cutting fluid. Materi-als Research Proceedings, 5, 47–53. https://doi.org/10.21741/9781945291814-9

Abdulvaliyev, R., Ultarakova, A., Mukangaliyeva, A., Lokhova, N. & Kassymzhanov, K. (2024). Comparative analysis of acid leaching for the efficient recovery of lan-thanum and cerium from phosphate. Separations, 11, 288. https://doi.org/10.3390/separations11100288

Zhang, P., Ying, P., Lin, C., Yang, T., Wu, J., Huang, M., ... & Levchenko, V. (2021). Effect of modulation periods on the mechanical and tribological performance of MoS₂–TiL/MoS₂–TiH multilayer coatings. Coatings, 11(10), 1230. https://doi.org/10.3390/coatings11101230