phmathВестник Государственного университета просвещения. Серия: Физика-МатематикаBulletin of Federal State University of Education. Series: Physics and Mathematics2949-50832949-5067Federal State University of Education10.18384/2949-5067-2024-2-45-59phmath-623Research ArticleФИЗИКАPHYSICSЭффекты упорядочения в антифрикционных материалах с углеродосодержащими покрытиями (обзор)Ordering effects in lubricant media in the presence of carbon-contaning coatings (a review)https://orcid.org/0000-0003-4525-5755ЕльниковаЛ. В.ElnikovaL. V.

Ельникова Лилия Вячеславовна – кандидат физико-математических наук, научный сотрудник ; старший научный сотрудник Регионального центра нанотехнологий

117218, г. Москва, ул. Большая Черемушкинская, д. 25; 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, д. 94

Liliia V. Elnikova – Cand. Sci. (Phys.-Math.), Scientific Researcher ; Senior Researcher, Regional Center of Nanotechnology

ulitsa Bolshaya Cheremushkinskaya 25, Moscow 117128; ulitsa 50 let Octyabrya 94, Kursk 305040

elnikova@itep.ruКузьменкоА. П.KuzmenkoA. P.

Кузьменко Александр Павлович – доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник

305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, д. 94

Aleksandr P. Kuzmenko – Dr. Sci. (Phys.-Math.), Prof., Leading Researcher, Regional Center of Nanotechnology

ulitsa 50 let Octyabrya 94, Kursk 305040

apk3527@mail.ruБеляевВ. В.BelyaevV. V.

Беляев Виктор Васильевич – доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник управления развития науки, профессор кафедры фундаментальной физики и нанотехнологии ; профессор кафедрынанотехнологии и микросистемной техники

141014, Московская обл., г. Мытищи, ул. Веры Волошиной, д. 24; 117198, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6

Victor V. Belyaev – Dr. Sci. (Engineering), Leading Researcher, Science Development Department; Prof., Department of Fundamental Physics and Nanotechnology ; Prof., Department of Nanotechnologies and MicrosystemTechnology

ulitsa Very Voloshinoi 24, Mytishchi 141014, Moscow Region; ulitsa Miklukho-Maklaya 6, Moscow 117198

vv.belyaev@guppros.ruНациональный исследовательский центр «Курчатовский институт»; Юго-Западный государственный университетРоссияNational Research Center “Kurchatov institute”; Southwest State UniversityRussian FederationЮго-Западный государственный университетРоссияSouthwest State UniversityRussian FederationГосударственный университет просвещения; Российский университет дружбы народов имени Патриса ЛумумбыRussian FederationFederal State University of Education; Peoples' Friendship University of Russia named after Patrice LumumbaRussian Federation202418062024024559Copyright © Ельникова Л.В., Кузьменко А.П., Беляев В.В., 20242024Ельникова Л.В., Кузьменко А.П., Беляев В.В.Elnikova L.V., Kuzmenko A.P., Belyaev V.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.physmathmgou.ru/jour/article/view/623Цель

Цель: характеризация применяемых для уменьшения коэффициента трения тонкослойных углеродосодержащих покрытий различных типов и состава, описание принципов их работы в узлах трибосопряжений и эффектов самоорганизации и упорядочения, влияющих на коэффициент трения и износ.

Процедура и методы

Процедура и методы. Метод анализа литературных источников и классификация исследуемых покрытий по химическому составу, методам нанесения, условиям работы, классификация методов и условий трибологических испытаний, классификация методов характеризации, применяемых к изучаемым покрытиям. Термодинамический анализ фазовых диаграмм по составу углеродосодержащих покрытий.

Результаты

Результаты. Показано положительное значение легирования углеродных покрытий, применяемых в триботехнических задачах: требуемое уменьшение коэффициента трения и износа. Оценены преимущества и недостатки покрытий с различными типами легирующих элементов (например, металлов IV-B группы, полупроводниковых элементов, водорода) в различных смазочных средах, парах трения и условиях работы. Доказано влияние упорядочения, морфологии частиц и их возможной агрегации за счёт углеродных связей sp1 , sp2 , sp3 и их соотношений в покрытиях на трибологические показатели.

Практическая значимость заключается в раскрытии механизмов влияния легирующих элементов и упорядочения частиц, молекул и агрегатов в покрытиях на коэффициент трения и свойства поверхности трения, вследствие чего возможна оптимизация состава углеродных покрытий для различных технических условий эксплуатации. 

Aim

Aim. Characterization of applied in tribotechnics thin film carbon containing coatings of different types and compositions, describing of principles of their work in tribological units and effects of their self-organization and ordering, which influence on friction coefficient and wear.

Methodology

Methodology. Methods of analysis of literature data and classification of coatings under study in chemical composition, methods of their deposition, load conditions, classification of the methods and tribological tests conditions, classification of methods of characterization applied to coatings under study. Thermodynamical analysis of phase diagrams for carbon containing coatings on their compositions.

Results

Results. We demonstrated the positive influence of alloying of carbon coatings applying in tribotechnical tasks: a required decreasing of friction coefficient and wear. Advantages and deficiencies of coatings with different types of alloying elements (for instance, metals of IV-B group, semiconductive elements and hydrogen) in different lubricants, friction units and conditions are estimated. An influence of ordering, particle morphology and their possible aggregation at the cost of carbon bounds sp1 , sp2 , sp3 and their combinations in coatings on tribological characteristics is proven.

Research implications

Research implications. Practical implication of this study is an ascertainment of mechanisms of an influence of the alloying ingredients and ordering of particles, molecules and their aggregates in coatings on the friction coefficient, thereupon, optimization of contents of carbon coatings for different engineering specifications. 

поверхность конденсированных средизнослегированиеприсадкиантифрикционные материалытрениеуглеродные покрытияsurface of condensed mediaadditivesalloyedcarbon coatingfrictionlubricating compositionswearReferencesЗеленая трибология: ориентационные свойства углеродных алмазоподобных покрытий трибологических узлов в смазочных средах (обзор) / Левченко В. А., Буяновский И. А., Большаков А. Н., Матвеенко В. Н. // Журнал прикладной химии. 2019. Т. 92. № 12. С. 1499–1513. DOI: 10.1134/S0044461819120016.Levchenko V. A., Buyanovsky I. A., Bolshakov A. N., Matveenko V. N. [Green tribology: orientation properties of diamond-like carbon coatings of friction units in lubricating media]. In: Zhurnal prikladnoy khimii [Russian Journal of Applied Chemistry], 2019, vol. 92, iss. 12, pp. 1499–1513. DOI: 10.1134/S0044461819120016.Доценко А. И., Буяновский И. А. Основы триботехники: учебник. М.: НИЦ ИНФРАМ, 2014. 336 с.Dotsenko A. I., Buyanovsky I. A. Osnovy tribotekhniki [Basics of tribotechnics]. Moscow, INFRA-M Publ., 2014. 336 p.Tribological and percolation properties of polypropylene/nanodiamond soot composites / Lebedev O. V., Bogdanova O. I., Goncharuk G. P., Ozerin A. N. // Polymers and Polymer Composites. 2020. Vol. 28. Iss. 6. P. 369–377. DOI: 10.1177/0967391119879280.Lebedev O. V., Bogdanova O. I., Goncharuk G. P., Ozerin A. N. Tribological and percolation properties of polypropylene/nanodiamond soot composites. In: Polymers and Polymer Composites, 2020, vol. 28, iss. 6, pp. 369–377. DOI: 10.1177/0967391119879280.Dağıdır K., Bilen K. Experimental investigation of usage of POE lubricants with Al2O3, graphene or CNT nanoparticles in a refrigeration compressor // Beilstein Journal of Nanotechnology. 2023. Vol. 14. P. 1041–1058. DOI: 10.3762/bjnano.14.86.Dağıdır K., Bilen K. Experimental investigation of usage of POE lubricants with Al2O3, graphene or CNT nanoparticles in a refrigeration compressor. In: Beilstein Journal of Nanotechnology, 2023, vol. 14, pp. 1041–1058. DOI: 10.3762/bjnano.14.86.Buyanovskii I. A., Khrushchov M. M., Samusenko V. D. Tribological Behavior of Diamond-Like Carbon Coatings under Boundary Friction: Part I. Structure, Testing Methods, Lubrication by Adsorption Layers // Inorganic Materials: Applied Research. 2022. Vol. 13. No. 4. P. 893–906. DOI: 10.1134/S2075113322040086.Buyanovskii I. A., Khrushchov M. M., Samusenko V. D. Tribological Behavior of Diamond-Like Carbon Coatings under Boundary Friction: Part I. Structure, Testing Methods, Lubrication by Adsorption Layers. In: Inorganic Materials: Applied Research, 2022, vol. 13, no. 4, pp. 893–906. DOI: 10.1134/S2075113322040086.Evaluation of bias voltage effect on diamond-like carbon coating properties deposited on tungsten carbide cobalt / Zia A. W., Lee S., Kim J.-K., Kim T. G., Song J. L. // Surface and Interface Analysis. 2014. Vol. 46. Iss. 3. P. 152–156. DOI: 10.1002/sia.5400.Zia A. W., Lee S., Kim J.-K., Kim T. G., Song J. L. Evaluation of bias voltage effect on diamond-like carbon coating properties deposited on tungsten carbide cobalt. In: Surface and Interface Analysis, 2014, vol. 46, iss. 3, pp. 152–156. DOI: 10.1002/sia.5400.Tribological properties of thin films made by atomic layer deposition sliding against silicon / Kilpi L., Ylivaara O. M. E., Vaajoki A., Liu X., Rontu V., Sintonen S., Haimi E., Malm J., Bosund M., Tuominen M., Sajavaara T., Lipsanen H., Hannula S.-P., Puurunen R. L., Ronkainen H. // Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films. 2018. Vol. 36. P. 01A122-1–01A122-12. DOI: 10.1116/1.5003729.Kilpi L., Ylivaara O. M. E., Vaajoki A., Liu X., Rontu V., Sintonen S., Haimi E., Malm J., Bosund M., Tuominen M., Sajavaara T., Lipsanen H., Hannula S.-P., Puurunen R. L., Ronkainen H. Tribological properties of thin films made by atomic layer deposition sliding against silicon. In: Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films, 2018, vol. 36, pp. 01A122-1–01A122-12. DOI: 10.1116/1.5003729.Семенов А. П. Трибологические свойства и вакуумные ионно-плазменные методы получения алмазных и алмазоподобных покрытий // Трение и износ. 2009. Т. 30. № 1. С. 83–102.Semenov A. P. [Tribological properties and vacuum ion-plasma methods of application of diamond and diamond-like coatings]. In: Treniye i iznos [Journal of Friction and Wear], 2009, vol. 30, iss 1, pp. 83–102.Grill A., Patel V. Tribological properties of diamond-like carbon and related materials // Diamond and Related Materials. 1993. Vol. 2. Iss. 5–7. P. 597–605. DOI: 10.1016/0925- 9635(93)90190-D.Grill A., Patel V. Tribological properties of diamond-like carbon and related materials. In: Diamond and Related Materials, 1993, vol. 2, iss. 5–7, pp. 597–605. DOI: 10.1016/0925-9635(93)90190-D.Moriguchi H., Ohara H., Tsujioka M. History and Applications of Diamond-Like Carbon Manufacturing Processes // SEI Technical Review. 2016. No. 82. P. 52–58.Moriguchi H., Ohara H., Tsujioka M. History and Applications of Diamond-Like Carbon Manufacturing Processes. In: SEI Technical Review, 2016, no. 82, pp. 52–58.Bewilogua K., Hofmann D. History of diamond-like carbon films – from first experiments to worldwide applications // Surface and Coatings Technology. 2014. Vol. 242. P. 214–225. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2014.01.031.Bewilogua K., Hofmann D. History of diamond-like carbon films – from first experiments to worldwide applications. In: Surface and Coatings Technology, 2014, vol. 242, pp. 214– 225. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2014.01.031.Charitidis C. A., Koumoulos E. P., Dragatogiannis D. A. Nanotribological Behavior of Carbon Based Thin Films: Friction and Lubricity Mechanisms at the Nanoscale // Lubricants. 2013. Vol. 1 (2). P. 22–47. DOI: 10.3390/lubricants1020022.Charitidis C. A., Koumoulos E. P., Dragatogiannis D. A. Nanotribological Behavior of Carbon Based Thin Films: Friction and Lubricity Mechanisms at the Nanoscale. In: Lubricants, 2013, vol. 1 (2), pp. 22–47. DOI: 10.3390/lubricants1020022.Jacob W., Möller W. On the structure of thin hydrocarbon films // Applied Physics Letters. 1993. Vol. 63. Iss. 13. P. 1771–1773. DOI: 10.1063/1.110683.Jacob W., Möller W. On the structure of thin hydrocarbon films. In: Applied Physics Letters, 1993, vol. 63, iss. 13, pp. 1771–1773. DOI: 10.1063/1.110683.Robertson J. Diamond-like amorphous carbon // Materials Science and Engineering: R: Reports. 2002. Vol. 37. Iss. 4–6. P. 129–281. DOI: 10.1016/S0927-796X(02)00005-0.Robertson J. Diamond-like amorphous carbon. In: Materials Science and Engineering: R: Reports, 2002, vol. 37, iss. 4–6, pp. 129–281. DOI: 10.1016/S0927-796X(02)00005-0.Буяновский И. А., Самусенко В. Д. Граничная смазка как защита трибосопряжения от износа и заедания при жестком режиме работы // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2019. T. 20. № 8. С. 379–384.Buyanovskii I. A., Samusenko V. D. [Boundary lubricantion as protection for tribocoupling against wear and scuffing at hard work]. In: Sborka v mashinostroyenii, priborostroyenii [Assembling in mechanical engineering and instrument-making], 2019, vol. 20, no. 8, pp. 379–384.Молибденсодержащее углеродное покрытие триботехнического назначения и антифрикционные свойства масел при граничной смазке / Буяновский И. А., Левченко В. А., Большаков А. Н., Самусенко В. Д. // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2019. № 1. С. 86–91. DOI: 10.1134/S023571191901005X.Buyanovskii I. A, Levchenko V. A., Bolshakov A. N., Samusenko V. D. [A molybdenumcontaining carbon coating for tribotechnical use and antifriction properties of oils under boundary lubrication]. In: Problemy mashinostroyeniya i nadezhnosti mashin [Journal of Machinery Manufacture and Reliability], 2019, no. 1, pp. 86–91. DOI: 10.1134/S023571191901005X.Роль углеродных покрытий-ориентантов в оптимизации смазочной способности граничных слоев / Левченко В. А., Буяновский И. А., Игнатьева З. Н., Матвеенко В. Н. // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2004. № 2. С. 43–48.Levchenko V. A., Buyanovsky I. A., Ignatyeva Z. N., Matveenko V. N. [The role of carbon coatings-orientants in optimizing the lubricating ability of boundary layers]. In: Problemy mashinostroyeniya i nadezhnosti mashin [Journal of Machinery Manufacture and Reliability], 2004, no. 2, pp. 43–48.Углеродные покрытия-ориентанты, легированные некоторыми элементами VIБ подгруппы Периодической системы, и их влияние на эффективность антифрикционных свойств масел / Буяновский И. А., Большаков А. Н., Левченко В. А., Матвеенко В. Н. // Механизация строительства. 2017. Т. 78. № 6. С. 18–21.Buyanovsky I. A., Bolshakov A. N., Levchenko V. A., Matveenko V. N. [Carbon coatingorienters, doped with some elements of VIB subgroup of the periodic system, and their impact on the effectiveness of the antifriction properties of oils]. In: Mekhanizatsiya stroitelstva [Mechanization of construction], 2017, vol. 78, no. 6, pp. 18–21.Броновец М. А. Трибология и материалы для космической техники // Трибология – Машиностроению: труды XII Международной научно-технической конференции, посвященной 80-летию ИМАШ РАН (Москва, 19–21 ноября 2018 г.) / под ред. И. А. Буяновского, М. В. Прожеги, В. Д. Самусенко. М.-Ижевск: Ижевский институт компьютерных исследований, 2018. С. 87–89.Bronovets M. A. [Tribology and materials for space technology]. In: Tribologiya – Mashinostroyeniyu: trudy XII Mezhdunarodnoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii, posvyashchennoy 80-letiyu IMASH RAN (Moskva, 19–21 noyabrya 2018 g.) [Tribology for Mechanical Engineering: Proceedings of the XII International Scientific and Technical Conference dedicated to the 80th Anniversary of Mechanical Engineering Research Institute of the Russian Academy of Sciences (Moscow, November 19–21, 2018)]. Moscow, Izhevsk, Izhevsk Institute of Computer Research Publ., 2018, pp. 87–89.Илясов В. В., Ашканов А. В., Холодова О. М. К вопросу об износостойкости углеродных пленок // Трибология – Машиностроению: труды XII Международной научно-технической конференции, посвященной 80-летию ИМАШ РАН (Москва, 19–21 ноября 2018 г.) / под ред. И. А. Буяновского, М. В. Прожеги, В. Д. Самусенко. М.-Ижевск: Ижевский институт компьютерных исследований, 2018. С. 218–220.Ilyasov V. V., Ashkanov A. V., Kholodova O. M. [On the wear resistance of carbon films]. In: Tribologiya – Mashinostroyeniyu: trudy XII Mezhdunarodnoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii, posvyashchennoy 80-letiyu IMASH RAN (Moskva, 19–21 noyabrya 2018 g.) [Tribology for Mechanical Engineering: Proceedings of the XII International Scientific and Technical Conference dedicated to the 80th Anniversary of Mechanical Engineering Research Institute of the Russian Academy of Sciences (Moscow, November 19–21, 2018)]. Moscow, Izhevsk, Izhevsk Institute of Computer Research Publ., 2018, pp. 218–220.Усиенов А., Гоголинский К. Механические свойства сверхтонких углеродных алмазоподобных покрытий // Наноидустрия. 2010. № 5. С. 54–57.Usienov A., Gogolinsky K. [Mechanical properties of superfine carbon diamondlike coatings]. In: Nanoidustriya [Nanoindustry], 2010, no. 5, pp. 54–57.Effect of diamond-like carbon coatings alloying with chromium and molybdenum on the lubricating properties of oils during friction in pair with steel / Buyanovskii I. A., Khrushchov M. M., Samusenko V. D., Atamanov M. V., Shcherbakov Yu. I. // Journal of Physics: Conference Series. 2021. Vol. 2059: 28th International Conference on Vacuum Technique and Technology (VTT 2021). Article 012004. DOI: 10.1088/1742-6596/2059/1/012004.Buyanovskii I. A., Khrushchov M. M., Samusenko V. D., Atamanov M. V., Shcherbakov Yu. I. [Effect of diamond-like carbon coatings alloying with chromium and molybdenum on the lubricating properties of oils during friction in pair with steel]. In: Journal of Physics: Conference Series, 2021, vol. 2059: 28th International Conference on Vacuum Technique and Technology (VTT 2021), article 012004. DOI: 10.1088/1742-6596/2059/1/012004.Voevodin A. A., O’Neill J. P., Zabinski J. S. Nanocomposite tribological coatings for aerospace applications // Surface and Coatings Technology. 1999. Vol. 116–119. P. 36–45. DOI: 10.1016/S0257-8972(99)00228-5.Voevodin A. A., O’Neill J. P., Zabinski J. S. Nanocomposite tribological coatings for aerospace applications. In: Surface and Coatings Technology, 1999, vol. 116–119, pp. 36– 45. DOI: 10.1016/S0257-8972(99)00228-5.Hua Ch., Ying S. H., Qiu J. S. Ni-P-Diamond Composite Coating on Friction Shims // Advanced Materials Research. 2013. Vol. 652–654. P. 1862–1865. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.652-654.1862.Hua Ch., Ying S. H., Qiu J. S. Ni-P-Diamond Composite Coating on Friction Shims. In: Advanced Materials Research, 2013, vol. 652–654, pp. 1862–1865. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.652-654.1862.Structure and Anticorrosion, Friction, and Wear Characteristics of Pure Diamond-Like Carbon (DLC), Cr-DLC, and Cr-H-DLC Films on AZ91D Mg Alloy / Cui X.-J., Ning Ch.-M., Shang L.-L., Zhang G.-A., Liu X.-Q. // Journal of Materials Engineering and Performance. 2019. Vol. 28. P. 1213–1225. DOI: 10.1007/s11665-019-3854-8.Cui X.-J., Ning Ch.-M., Shang L.-L., Zhang G.-A., Liu X.-Q. Structure and Anticorrosion, Friction, and Wear Characteristics of Pure Diamond-Like Carbon (DLC), Cr-DLC, and Cr-H-DLC Films on AZ91D Mg Alloy. In: Journal of Materials Engineering and Performance, 2019, vol. 28, pp. 1213–1225. DOI: 10.1007/s11665-019-3854-8.Investigation of Friction and Wear Performance of Diamond Coating under Si3N4 Friction Pair / Lu F., Wang Y., Li H., Hao T., Fu Z., Yan G. // Mechanika. 2021. Vol. 27. No. 5. P. 421–428. DOI: 10.5755/j02.mech.28329.Lu F., Wang Y., Li H., Hao T., Fu Z., Yan G. Investigation of Friction and Wear Performance of Diamond Coating under Si3N4 Friction Pair. In: Mechanika, 2021, vol. 27, no. 5, pp. 421–428. DOI: 10.5755/j02.mech.28329.The properties of lubricated friction pairs with diamond-like carbon coatings / Kowalczyk J., Milewski K., Madej M., Ozimina D. // Open Engineering. 2020. Vol. 10. No. 1. P. 688–698. DOI: 10.1515/eng-2020-0075.Kowalczyk J., Milewski K., Madej M., Ozimina D. The properties of lubricated friction pairs with diamond-like carbon coatings. In: Open Engineering, 2020, vol. 10, no. 1, pp. 688–698. DOI: 10.1515/eng-2020-0075.Tribological behaviour of different diamond-like carbon materials / Liu E., Blanpain B., Shi X., Celis J.-P., Tan H.-S., Tay B.-K., Cheah L.-K., Roos J. R. // Surface and Coatings Technology. 1998. Vol. 106. Iss. 1. P. 72–80. DOI: 10.1016/S0257-8972(98)00494-0.Liu E., Blanpain B., Shi X., Celis J.-P., Tan H.-S., Tay B.-K., Cheah L.-K., Roos J. R. Tribological behaviour of different diamond-like carbon materials. In: Surface and Coatings Technology, 1998, vol. 106, iss. 1, pp. 72–80. DOI: 10.1016/S0257-8972(98)00494-0.

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