Влияние азотирования на структуру и механические свойства углеродных покрытий, легированных цирконием и кремнием

Руденков А. С.; Рогачев А. В.; Пилипцов Д. Г.

Влияние азотирования на структуру и механические свойства углеродных покрытий, легированных цирконием и кремнием

Пилипцов Д. Г.

2026

https://doi.org/10.29235/1561-8358-2026-71-1-18-30

Исследованы структурные особенности и определены механические свойства композиционных угле родных покрытий, сформированных из плазменных потоков сложного состава, которые генерируются импульсным электродуговым и электроискровым испарением в присутствии молекулярного азота. Концентрация азота в покры тии варьировалась путем изменения значения его парциального давления в остаточной атмосфере вакуумной камеры. Установлено, что азотирование при парциальном давлении азота 0,08 Па углеродных покрытий, легированных цирконием и кремнием, приводит к увеличению дисперсности, уменьшению их шероховатости и размеров отдельных структурных образований. Средствами рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии определены особенности процессов химического взаимодействия. Азотирование способствует увеличению степени структурной упорядоченности sp2-кластеров, образованию соединений на основе CNx, нитридов легирующих элементов и росту соотношения sp3/sp2-гибридизированных атомов углерода, что приводит к увеличению нанотвердости композиционных углеродных покрытий до 15,3 ГПа. Показано, что образование твердых фаз на основе карбидов и нитридов легирую щих элементов обусловливает увеличение значений коэффициентов трения и объемного изнашивания контртела при азотировании композиционных углеродных покрытий. Установлен химический состав композиционных углеродных покрытий, обеспечивающий оптимальное сочетание их нанотвердости и триботехнических свойств за счет наиболее высокой доли кластеров на основе Csp2–N-связей, трансформирующихся при трении в графит, который выполняет роль твердой смазки. Полученные результаты могут быть использованы при модифицировании поверхности металлообрабатывающего инструмента и деталей специализированной оснастки с целью улучшения их механических характеристик и увеличения срока эксплуатации.

Руденков А. С., Рогачев А. В., Пилипцов Д. Г. Влияние азотирования на структуру и механические свойства углеродных покрытий, легированных цирконием и кремнием. Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наук. 2026;71(1):18-30. https://doi.org/10.29235/1561-8358-2026-71-1-18-30

Цитирование

Список литературы

1. Donnet, C. Tribology of Diamond-like Carbon Films: Fundamentals and Applications / C. Donnet, A. Erdemir. – Springer Science & Business Media, 2007. – 680 p. https://doi.org/10.1007/978-0-387-49891-1

2. Рогачев, А. В. Триботехнические свойства композиционных покрытий, осаждаемых вакуумно-плазменными методами / А. В. Рогачев // Трение и износ. – 2008. – Т. 29, № 3. – С. 285–592.

3. Robertson, J. Diamond-like amorphous carbon / J. Robertson // Materials Science and Engineering: R: Reports. – 2002. – Vol. 37, iss. 4–6. – P. 129–281. https://doi.org/10.1016/S0927-796X(02)00005-0

4. Композиционные углеродные покрытия, осажденные из импульсной катодной плазмы / Д. Г. Пилипцов, А. С. Руденков, П. А. Лучников [и др.]. – М.: Радиотехника, 2020. – 283 с.

5. Пилипцов, Д. Г. Влияние термообработки на механические свойства слоистых углеродных покрытий / Д. Г. Пилипцов // Проблемы физики, математики и техники. – 2021. – № 3 (48). – С. 29–37. https://doi.org/10.54341/20778708_2021_4_49_29

6. Mabuchi, Y. Effects of sp2/sp3 bonding ratio and nitrogen content on friction properties of hydrogen-free DLC coatings / Y. Mabuchi, T. Higuchi, V. Weihnacht // Tribology International. – 2013. – Vol. 62. – P. 130–140. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2013.02.007

7. Wongpanya, P. Nanomechanical properties and thermal stability of Al–N-co-doped DLC films prepared by filtered cathodic vacuum arc deposition / P. Wongpanya, P. Silawong, P. Photongkam // Surface and Coatings Technology. – 2021. – Vol. 424. – Art. ID 127655. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2021.127655

8. Effects of source gases on the properties of silicon/nitrogen-incorporated diamond-like carbon ﬁlms prepared by plasmaenhanced chemical vapor deposition / H. Nakazawa, K. Magara, T. Takami [et al.] // Thin Solid Films. – 2017. – Vol. 636. – P. 177–182. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2017.05.046

9. Synergistic effect of Cu/Cr co-doping on the wettability and mechanical properties of diamond-like carbon films / L. Sun, P. Guo, P. Ke [et al.] // Diamond and Related Materials. – 2016. – Vol. 68. – P. 1–9. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2016.05.006

10. Руденков, А. С. Влияние концентрации металла на фазовый состав, структуру и свойства углерод-металлических покрытий / А. С. Руденков // Проблемы физики, математики и техники. – 2015. – № 3 (24). – С. 26–32.

11. Effects of silicon doping on the chemical bonding states and properties of nitrogen-doped diamond-like carbon films by plasma-enhanced chemical vapor deposition / K. Nakamura, H. Ohashi, Y. Enta [et al.] // Thin Solid Films. – 2021. – Vol. 736. – Art. ID 138923. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2021.138923

12. Tribological characterization of carbon-nitrogen coatings deposited by using vacuum arc discharge / J. Koskinen, J.-P. Hirvonen, J. Levoska, P. Torri // Diamond and Related Materials. – 1996. – Vol. 5. – P. 669–673. https://doi.org/10.1016/0925-9635(95)00382-7

13. Long-term thermal stability of Si-containing diamond prepared by plasma source ion implantation / R. Hatada, K. Baba, S. Flege [et al.] // Surface and Coatings Technology. – 2016. – Vol. 305. – P. 93–98. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2016.08.011

14. Effect of nitrogen doping on the microstructure and thermal stability of diamond-like carbon coatings containing silicon and oxygen / J. Peng, Y. Xiao, M. Yang, J. Liao // Surface and Coatings Technology. – 2021. – Vol. 421. – Art. ID 127479. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2021.127479

15. Mechanical properties of d.c. magnetron-sputtered and pulsed vacuum arc deposited ultra-thin nitrogenated carbon coatings / A. Wienss, M. Neuhäuser, H.-H. Schneider [et al.] // Diamond and Related Materials. – 2001. – Vol. 10, iss. 3–7. – P. 1024–1029. https://doi.org/10.1016/S0925-9635(00)00512-4

16. Влияние ионного азотирования на фазовый состав, структуру и свойства углеродных покрытий / А. С. Руденков, А. В. Рогачев, Д. Г. Пилипцов [и др.] // Проблемы физики, математики и техники. – 2016. – № 1 (26). – С. 37–42.

17. Evolution of Phase Composition and Antibacterial Activity of Zr–C Thin Films / K. Mydlowska, E. Czerwińska, A. Gilewicz [et al.] // Processes. – 2020. – Vol. 8. – Art. ID 260. https://doi.org/10.3390/pr8030260

18. Ray, S. C. Iron, nitrogen and silicon doped diamond like carbon (DLC) thin ﬁlms: A comparative study / S. C. Ray, W. F. Pong, P. Papakonstantinou // Thin Solid Films. – 2016. – Vol. 610. – P. 42–47. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2016.04.048

19. Paik, N. Raman and XPS studies of DLC films prepared by a magnetron sputter-type negative ion source / N. Paik // Surface and Coatings Technology. – 2005. – Vol. 200, iss. 7. – P. 2170–2174. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2004.08.073

20. Trusso, S. CNx thin films grown by pulsed laser deposition: Raman, infrared and X-ray photoelectron spectroscopy study / S. Trusso, C. Vasi, F. Neri // Thin Solid Films. – 1999. – Vol. 355–356. – P. 219–222. https://doi.org/10.1016/S0040-6090(99)00503-9

21. Mirenghi, L. An Accurate Quantitative X-ray Photoelectron Spectroscopy Study of Pure and Homogeneous ZrN Thin Films Deposited Using BPDMS / L. Mirenghi, A. Rizzo // Applied Sciences. – 2023. – Vol. 13. – Art. ID 1271. https://doi.org/10.3390/app13031271

22. Biomineralization of osteoblasts on DLC coated surfaces for bone implants / B. Subramanian, S. Thanka Rajan, P. J. Martin [et al.] // Biointerphases. – 2018. – Vol. 13, iss. 4. – Art. ID 041002. https://doi.org/10.1116/1.5007805

23. Using photoelectron spectroscopy to observe oxygen spillover to zirconia / P. Lackner, Z. Zou, S. Mayr [et al.] // Physical Chemistry Chemical Physics. – 2019. – Vol. 32. – P. 17613–17620. https://doi.org/10.1039/C9CP03322J

24. Wong, P. C. XPS studies of the stability of a zirconium carbide film in the presence of zirconium oxide and hydrogen / P. C. Wong, Y. S. Li, K. A. R. Mitchell // Surface Review and Letters. – 1995. – Vol. 2, № 3. – P. 297–303. https://doi.org/10.1142/S0218625X95000315

25. Prieto, P. Interaction of Oxygen with ZrN at Room Temperature: an XPS Study / P. Prieto, L. Galan, J. M. Sanz // Surface and Interface Analysis. – 1994. – Vol. 21. – P. 395–399. https://doi.org/10.1002/sia.740210612

26. Muneshwar, T. Comparing XPS on bare and capped ZrN films grown by plasma enhanced ALD: Effect of ambient oxidation / T. Muneshwar, K. Cadien // Applied Surface Science. – 2018. – Vol. 435. – P. 367–376. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.11.104

27. Cubillos, G. ZrN-ZrOxNy vs ZrO2-ZrOxNy coatings deposited via unbalanced DC magnetron sputtering / G. Cubillos, E. Romero, A. Umaña-Perez // Scientific Reports. – 2021. – Vol. 11. – Art. ID 18926. https://doi.org/10.1038/s41598-021-98052-2

28. X ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis of Photosensitive ZrO2 array / Y. Li, G. Zhao, R. Zhu [et al.] // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2018. – Vol. 322. – Art. ID 022043. https://doi.org/10.1088/1757-899X/322/2/022043

29. Modulation of Si on microstructure and tribo-mechanical properties of hydrogen-free DLC films prepared by magnetron sputtering / C.-Q. Guo, S. Sh. Lin, D. Gao [et al.] // Applied Surface Science. – 2020. – Vol. 509. – Art. ID 145381. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.145381

30. A concise review of the Raman spectra of carbon allotropes / V. Thapliyal, M. E. Alabdulkarim, D. R. Whelan [et al.] // Diamond and Related Materials. – 2022. – Vol. 127. – Art. ID 109180. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2022.109180

31. Structure and properties of Si incorporated tetrahedral amorphous carbon films prepared by hybrid filtered vacuum arc process / C. S. Lee, K.-R. Lee, K. E. Eun [et al.] // Diamond and Related Materials. – 2002. – Vol. 11, iss. 2. – P. 198–203. https://doi.org/10.1016/S0925-9635(01)00666-5

Источник

Информация

Автор

Руденков А. С. Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины
Рогачев А. В. Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины
Пилипцов Д. Г. Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины

Страницы

18-30

Год издания

2026

Ключевые слова

Коллекции

Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наук