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

제조업의 세계를 금속 도구와 뜨거운 플라스틱이 끊임없이 회전하고, 갈리고, 서로 맞물려 돌아가는 거대하고 긴장감 넘치는 고난도의 댄스 플로어라고 상상해 보십시오. 이 혼란스러운 무도회장에서 도구들은 리드 댄서이며, 만약 이들이 너무 뜨거워지거나, 너무 긁히거나, 너무 끈적해진다면 전체 쇼는 무너지고 맙니다. 이것이 바로 표면이 서로 어떻게 마찰하는지를 다루는 과학인 **트라이볼로지(tribology, 마찰학)**의 세계입니다. 이 춤이 매끄럽게 계속될 수 있도록 엔지니어들은 도구에 특수 재료를 얇고 투명하게 분사하여 더 단단하거나 더 미끄럽게 만드는 **코팅(coatings)**을 사용합니다. 이 코팅들을 새로운 댄스 슈즈라고 생각해보십시오. 어떤 것은 발이 멍드는 것을 방지하기 위해 매우 질긴 가죽으로 만들어졌고(내마모성), 다른 것은 미끄러지지 않고 활주할 수 있도록 미끄러운 왁스를 입혔습니다(저마찰). 하지만 문제는, 아무리 좋은 신발이라도 그 아래의 바닥이 흔들리거나 울퉁불퉁하다면 소용이 없다는 것입니다. 이 이야기에서 "바닥"은 금 метал 도구 자체이며, 신발을 신기 전에 이 도구가 어떻게 처리되었는지는 신발 자체만큼이나 중요합니다.

이 논문은 두 종류의 "신발"(코팅)과 네 가지 다른 방식의 "바닥"(공구강) 준비법 사이의 특정 댄스 배틀을 깊이 있게 다룹니다. 연구진은 어떤 조합이 도구를 비틀거림 없이 가장 오래 춤추게 할 수 있는지 알아보고자 했습니다. 그들은 두 가지 유명한 코팅을 테스트했습니다. 하나는 경로에 있는 무엇이든 짓뭉개버릴 수 있도록 설계된, 다이아몬드를 박아 넣은 듯한 초강력 부츠와 같은 DLC(Diamond-Like Carbon)이고, 다른 하나는 표면이 저항 거의 없이 미끄러지듯 지나가게 해주는 고체 윤활제 역할을 하는 몰리브덴 디설파이드 혼합물인 MoS2+Ni입니다. 연구진은 이 코팅들을 아무 처리를 하지 않거나, 열처리로 단단하게 굽거나(담금질/quenching), 화학적으로 경화시키거나(Tenifer), 혹은 두 가지 모두를 적용한 두 가지 일반적인 공구강(AISI P20+Ni 및 AISI 420)에 적용해 보았습니다.

결과는 두 가지 서로 다른 강점의 이야기였습니다. 연구 결과, 만약 마찰을 최소한으로 줄여 극도로 미끄럽게 만들고 싶다면 MoS2+Ni 코팅이 명실상부한 챔피언이라는 것이 밝혀졌습니다. P20 강철 위에 놓였을 때, 이 코팅은 마찰 계수를 P20 강철에서는 0.0710, 420 강철에서는 0.0851까지 낮추었습니다. 그것은 마치 도구를 아이스링크 위에 올려놓은 것 같았습니다. 그냥 미끄러져 나갔습니다. 하지만, 만약 강한 충격을 받았을 때 도구가 긁히거나 찍히는 것을 막는 것이 목표라면, DLC 코팅이 영웅입니다. 그 경도 덕분에, DLC 코팅은 MoS2+Ni 혼합물보다 약 50% 더 높은 경도를 가졌으며, 특히 하부의 도구가 경화되었을 때 깊은 스크래치에 훨씬 더 잘 견뎌냈습니다.

흥 흥미롭게도, 이 논문은 스크래치를 방지하는 데 있어서는 "신발"보다 "바닥"(기재 처리)이 더 중요하다는 점을 시사합니다. 연구진은 스크래치 깊이를 측정했는데, 단순히 **담금질(quenching)**을 통해 강철을 단단하게 만드는 것만으로도 처리되지 않은 도구에 비해 P20 강철에서는 약 65%, 420 강철에서는 70% 정도 스크래치 깊이가 감소했습니다. Tenifer 화학 처리는 약간의 도움은 되었지만, 열처리에 비해서는 효과가 떨어졌습니다. 연구는 단 하나의 "완벽한" 도구란 존재하지 않는다고 결론짓습니다. 대신, 마찰과 에너지 손실을 최소-화해야 한다면 잘 처리된 강철 위에 미끄러운 MoS2+Ni 코팅을 선택해야 합니다. 반대로, 무거운 하중으로부터 도구가 물리적으로 손상되는 것을 막아야 한다면, 단단한 강철 위의 강인한 DLC 코팅이 더 나은 선택입니다. 이 논문은 모든 제조 문제를 해결했다고 주장하는 것이 아니라, 어떤 도구를 어떤 작업에 골라야 하는지 명확한 지도를 그려줌으로써, 오래 지속되는 도구의 비결은 적절한 코팅을 적절한 기초와 매칭하는 것임을 증명하고 있습니다.