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 Институт металлургии и обогащения, Казахстан
А.К. Кенжегулов Институт металлургии и обогащения, Казахстан
A.A. Мамаева Институт металлургии и обогащения, Казахстан
А.В. Паничкин Институт металлургии и обогащения, Казахстан
Б.Б. Кшибекова Институт металлургии и обогащения, Казахстан

DOI:

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

Ключевые слова:

многослойное покрытие, магнетронное распыление, коэффициент трения, нанотвердость, износостойкость

Аннотация

В данной работе исследованы механические и трибологические свойства монослойных покрытий TiN и многослойных покрытий TiN/TiCN, осажденных методом магнетронного распыления постоянного тока на титановые подложки (ВТ1-0). Проведена их характеристика с точки зрения микроструктуры, нанотвердости, модуля упругости и трибологических характеристик в условиях трения со смазкой. Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) показала, что покрытия имеют однородную микроструктуру без видимых дефектов и характерный столбчатый рост. Испытания методом наноиндентирования продемонстрировали, что многослойные покрытия TiN/TiCN обладают повышенной твердостью (до 23.5 ГПа) и модулем упругости (191 ГПа) по сравнению с монослойным TiN, что объясняется межслойным упрочнением и перераспределением остаточных напряжений. Трибологические испытания по схеме «шар-диск» в условиях смазанного трения показали, что многослойные покрытия демонстрируют значительно меньший коэффициент трения (0.1-0.13) и повышенную износостойкость по сравнению с TiN. Это обусловлено введением слоев TiCN, которые снижают адгезию, способствуют равномерному распределению нагрузки и формированию защитной трибопленки. Полученные результаты подтверждают, что многослойные покрытия TiN/TiCN обладают улучшенными механическими и трибологическими характеристиками, что делает их перспективными для применения в инженерных компонентах, работающих в условиях трения и износа.

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