Effect of Substrate Heat Treatment on the Tribological Performance of $MoS_{2}$+Ni and DLC Coatings Deposited on Tool Steels

विनिर्माण (मैन्युफैक्चरिंग) की दुनिया की कल्पना एक विशाल, उच्च-दांव वाले डांस फ्लोर के रूप में करें जहाँ धातु के उपकरण और गर्म प्लास्टिक लगातार एक-दूसरे से टकरा रहे हैं, घिस रहे हैं और दबाव बना रहे हैं। इस अराजक बॉलरूम में, उपकरण मुख्य नर्तक हैं, और यदि वे बहुत अधिक गर्म हो जाते हैं, बहुत अधिक खरोंच खा जाते हैं, या बहुत अधिक चिपचिपे हो जाते हैं, तो पूरा शो बिखर जाता है। यह ट्राइबोलॉजी (tribology) की दुनिया है, जो इस विज्ञान का अध्ययन है कि सतहें एक-दूसरे के साथ कैसे रगड़ती हैं। इस नृत्य को सुचारू रूप से जारी रखने के लिए, इंजीनियर कोटिंग्स (coatings) का उपयोग करते हैं—विशेष सामग्रियों की पतली, अदृश्य परतें जिन्हें उपकरणों पर स्प्रे किया जाता है ताकि उन्हें अधिक कठोर या चिकना बनाया जा सके। इन कोटिंग्स को नए डांस जूतों की तरह समझें: कुछ सुपर-टफ चमड़े से बने होते हैं ताकि आपके पैरों को चोट लगने से बचाया जा सके (घिसावट प्रतिरोध/wear resistance), जबकि अन्य फिसलन भरे मोम से लेपित होते हैं ताकि आपको बिना लड़खड़ाए फिसलने में मदद मिले (कम घर्षण/low friction)। लेकिन पेच यह है: सबसे अच्छे जूते भी काम नहीं करेंगे यदि उनके नीचे का फर्श डगमगाता हुआ या असमान हो। इस कहानी में "फर्श" स्वयं धातु का उपकरण है, और कोटिंग लगाने से पहले उस उपकरण के साथ कैसा व्यवहार किया गया है, यह उतना ही मायने रखता है जितना कि खुद कोटिंग।

यह शोध पत्र दो प्रकार के "जूतों" (कोटिंग्स) और "फर्श" (टूल स्टील) को तैयार करने के चार अलग-अलग तरीकों के बीच एक विशिष्ट मुकाबले में उतरता है। शोधकर्ता यह देखना चाहते थे कि कौन सा संयोजन उपकरणों को बिना लड़खड़ाए सबसे लंबे समय तक नाचने में मदद करेगा। उन्होंने दो प्रसिद्ध कोटिंग्स का परीक्षण किया: DLC (डायमंड-लाइक कार्बन), जो एक सुपर-हार्ड, हीरे से जड़े बूट की तरह है जिसे किसी भी चीज़ को कुचलने के लिए डिज़ाइन किया गया है, और MoS2+Ni, एक मोलिब्डेनम डाइसल्फाइड मिश्रण जो एक ठोस स्नेहक (solid lubricant) के रूप में कार्य करता है, जिससे सतहें लगभग बिना किसी प्रतिरोध के एक-दूसरे के पास से फिसल सकती हैं। उन्होंने इन्हें दो सामान्य टूल स्टील्स (AISI P20+Ni और AISI 420) पर आज़माया जिन्हें अलग-अलग तरीकों से उपचारित किया गया था: बिना उपचार के छोड़ा गया, सख्त रूप से बेक किया गया (क्वेंच किया गया), रासायनिक रूप से सख्त (टेनिफर), या दोनों।

परिणाम दो अलग-अलग शक्तियों की एक कहानी थे। अध्ययन ने पाया कि यदि आप चाहते हैं कि आपका उपकरण अविश्वसनीय रूप से चिकना हो और घर्षण को न्यूनतम स्तर तक कम करे, तो MoS2+Ni कोटिंग निर्विवाद विजेता है। जब इसे ऐसे टूल पर रखा गया जो सख्त बेक किया गया था और रासायनिक रूप से उपचारित भी था, तो इसने P20 स्टील पर 0.0710 और 420 स्टील पर 0.085, जैसा कम घर्षण गुणांक (friction coefficient) प्राप्त किया। यह ऐसा था जैसे टूल को आइस रिंक पर रख दिया गया हो; यह बस फिसल रहा था। हालाँकि, यदि आपका लक्ष्य यह है कि भारी प्रहार होने पर उपकरण पर खरोंच या डेंट न आए, तो DLC कोटिंग नायक है। अपनी कठोरता के कारण, जो MoS2+Ni मिश्रण से लगभग 50% अधिक थी, DLC कोटिंग ने गहरे निशान झेलने में बहुत बेहतर प्रदर्शन किया, विशेष रूप से तब जब उसके नीचे का टूल सख्त किया गया हो।

दिलचस्प बात यह है कि शोध पत्र सुझाव देता है कि खरोंच रोकने के मामले में "जूतों" की तुलना में "फर्श" (सब्सट्रेट उपचार) अधिक महत्वपूर्ण है। शोधकर्ताओं ने खरोंच की गहराई को मापा और पाया कि केवल क्वेंचिंग (quenching) के माध्यम से स्टील को सख्त करने से अनुपचारित टूल्स की तुलना में P20 स्टील के लिए खरोंच की गहराई में लगभग 65% और 420 स्टील के लिए 70% की कमी आई। हालांकि टेनिफर रासायनिक उपचार ने थोड़ी मदद की, लेकिन यह हीट ट्रीटमेंट जितना प्रभावी नहीं था। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि कोई एक अकेला "परफेक्ट" टूल नहीं होता है। इसके बजाय, यदि आपको घर्षण और ऊर्जा हानि को कम करने की आवश्यकता है, तो आपको एक अच्छी तरह से उपचारित स्टील पर चिकना MoS2+Ni कोटिंग चुनना चाहिए। लेकिन यदि आपको भारी भार से भौतिक क्षति से बचने की आवश्यकता है, तो सख्त स्टील पर मजबूत DLC कोटिंग एक बेहतर विकल्प है। यह पेपर यह दावा नहीं करता है कि इसने सभी विनिर्माण समस्याओं को हल कर दिया है, लेकिन यह स्पष्ट रूप से मानचित्रित करता है कि किस काम के लिए कौन सा टूल चुनना है, यह साबित करते हुए कि एक लंबे समय तक चलने वाले टूल का रहस्य सही कोटिंग को सही आधार के साथ मिलाना है।