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

製造の世界を、金属製の道具や熱いプラスチックが絶えず回転し、研磨し合い、押し付け合っている、巨大でハイリスクなダンスフロアだと想像してみてください。この混沌とした舞踏会において、道具はリードダンサーであり、もしそれらが熱くなりすぎたり、傷ついたり、粘りすぎたりすれば、ショー全体が台無しになってしまいます。これが、表面同士がどのように擦れ合うかという科学である「トライボロジー」の世界です。ダンスをスムーズに続けるために、エンジニアは「コーティング」を使用します。これは、道具をより硬くしたり、滑らかにしたりするために、特殊な材料を薄く目に見えない層としてスプレーしたものです。これらのコーティングを新しいダンスシューズに例えてみましょう。あるものは、足が打ち bruised（あざになる）のを防ぐための非常に丈夫な革で作られており（耐摩耗性）、またあるものは、つまずかずに滑走できるように滑らかなワックスが塗られています（低摩擦）。しかし、ここには落とし穴があります。どんなに優れた靴であっても、その下の床がぐらついていたり、凹凸があったりしては機能しません。この物語における「床」とは、金属製の道具そのものであり、靴を履かせる前にその道具がどのように処理されたかが、靴そのものと同じくらい重要になります。

本論文では、2種類の「靴」（コーティング）と、4種類の異なる「床」（工具鋼）の準備方法による、特定のダンス対決について掘り下げます。研究者たちは、どの組み合わせが、つまずくことなく最も長くダンスを続けられるかを調べました。彼らは2つの有名なコーティングをテストしました。一つはDLC（ダイヤモンドライクカーボン）で、これは進路にあるあらゆるものを粉砕するように設計された、ダイヤモンドを散りばめた超硬靴のようなものです。もう一つは、MoS2+Niで、モリブデンジスルファイドの混合物であり、表面同士をほとんど抵抗なく滑らせる固体潤滑剤として機能します。これらを、異なる方法で処理された2種類の一般的な工具鋼（AISI P20+NiおよびAISI 420）に対して試しました。処理方法は、そのままの状態、焼き入れ（クエンチング）による硬化、化学的硬化（テニファー）、またはその両方です。

結果は、二つの異なる強みの物語となりました。研究によれば、もし道具を極めて滑らかにし、摩擦を最小限に抑えたいのであれば、MoS2+Niコーティングが紛れもないチャンピオンとなります。焼き入れと化学的処理の両方を施した工具の上に配置されたとき、それはP20鋼で0.0710、420鋼で0.0851という低い摩擦係数を達成しました。それはまるで、道具をアイスリンクに乗せたかのようで、ただ滑るように動きました。しかし、もし目的が、強い衝撃を受けた際に道具が傷ついたり凹んだりするのを防ぐことであるなら、DLCコーティングがヒーローとなります。その硬度のおかげで、DLCコーティングはMoS2+Ni混合物よりも約50%高く、特に下地の鋼が硬化されている場合に、深い傷に対してより高い耐性を示しました。

興味深いことに、本論文は、傷を防ぐという点においては、「靴」よりも「床」（基材処理）の方が重要であることを示唆しています。研究者たちは傷の深さを測定し、単に焼き入れ（クエンチング）によって鋼を硬化させるだけで、未処理の工具と比較して、P20鋼では約65%、420鋼では約70%、傷の深さが減少することを発見しました。テニファーによる化学的処理も多少の効果はありましたが、熱処理ほど効果的ではありませんでした。研究は、唯一の「完璧な」道具は存在しないと結論付けています。代わりに、もし摩擦とエネルギー損失を最小限に抑えたいのであれば、適切に処理された鋼の上に、滑らかなMoS2+Niコーティングを選ぶべきです。しかし、もし重荷重による物理的な損傷を防ぎたいのであれば、硬化鋼の上に強力なDLCコーティングを用いるのがより良い選択となります。この論文は、すべての製造上の問題を解決したと主張しているわけではありませんが、どの仕事に対してどの道具を選ぶべきかを明確に示しており、長持ちする道具の秘訣は、適切なコーティングを適切な土台に合わせることにあると証明しています。