เทคโนโลยีการเคลือบเฟือง

เทคโนโลยีการเคลือบแบบ PVD ได้ถูกนำมาใช้เป็นเทคโนโลยีการปรับปรุงพื้นผิวแบบใหม่มานานหลายปี โดยเฉพาะอย่างยิ่งเทคโนโลยีการเคลือบด้วยไอออนในสุญญากาศ ซึ่งได้รับการพัฒนาอย่างมากในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาและปัจจุบันมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในการเคลือบเครื่องมือ แม่พิมพ์ แหวนลูกสูบ เฟือง และชิ้นส่วนอื่นๆ เฟืองที่เคลือบด้วยเทคโนโลยีการเคลือบด้วยไอออนในสุญญากาศสามารถลดค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน ปรับปรุงความต้านทานการสึกหรอ และความต้านทานการกัดกร่อนได้ในระดับหนึ่ง และได้กลายเป็นจุดสนใจและประเด็นวิจัยที่สำคัญในด้านเทคโนโลยีการเสริมความแข็งแรงของพื้นผิวเฟือง

วัสดุที่ใช้ทำเฟืองโดยทั่วไป ได้แก่ เหล็กดัด เหล็กหล่อ เหล็กหล่อเหนียว โลหะที่ไม่ใช่เหล็ก (ทองแดง อลูมิเนียม) และพลาสติก เหล็กที่ใช้ส่วนใหญ่ ได้แก่ เหล็ก 45, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำที่ใช้ส่วนใหญ่ ได้แก่ 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo เหล็กดัดนิยมใช้ทำเฟืองมากกว่าเนื่องจากมีประสิทธิภาพดีกว่า ในขณะที่เหล็กหล่อโดยทั่วไปใช้ในการผลิตเฟืองที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางมากกว่า 400 มม. และโครงสร้างซับซ้อน เฟืองเหล็กหล่อทนต่อการเกาะติดและการกัดกร่อน แต่ขาดความทนทานต่อแรงกระแทกและการสึกหรอ ส่วนใหญ่ใช้สำหรับงานที่ต้องการความเสถียร ความเร็วไม่สูง หรือขนาดใหญ่และรูปทรงซับซ้อน สามารถทำงานได้โดยไม่ต้องหล่อลื่น เหมาะสำหรับระบบส่งกำลังแบบเปิด โลหะที่ไม่ใช่เหล็กที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ บรอนซ์ดีบุก บรอนซ์อะลูมิเนียม-เหล็ก และโลหะผสมอะลูมิเนียมหล่อ ซึ่งมักใช้ในการผลิตกังหันหรือเฟือง แต่คุณสมบัติการเลื่อนและการต้านทานแรงเสียดทานไม่ดี จึงเหมาะสำหรับเฟืองที่มีภาระเบา ปานกลาง และความเร็วต่ำเท่านั้น เฟืองที่ทำจากวัสดุที่ไม่ใช่โลหะส่วนใหญ่ใช้ในบางสาขาที่มีข้อกำหนดพิเศษ เช่น การหล่อลื่นแบบไร้น้ำมันและความน่าเชื่อถือสูง ในสาขาที่มีเงื่อนไขมลพิษต่ำ เช่น เครื่องใช้ในครัวเรือน อุปกรณ์ทางการแพทย์ เครื่องจักรอาหาร และเครื่องจักรสิ่งทอ

วัสดุเคลือบเฟือง

วัสดุเซรามิกทางวิศวกรรมเป็นวัสดุที่มีศักยภาพสูงมาก มีความแข็งแรงและความแข็งสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งทนความร้อนได้ดีเยี่ยม มีค่าการนำความร้อนและการขยายตัวทางความร้อนต่ำ ทนต่อการสึกหรอและการเกิดออกซิเดชันสูง งานวิจัยจำนวนมากแสดงให้เห็นว่าวัสดุเซรามิกมีคุณสมบัติทนความร้อนและสึกหรอน้อยกว่าโลหะ ดังนั้น การใช้วัสดุเซรามิกแทนโลหะสำหรับชิ้นส่วนที่ทนต่อการสึกหรอสามารถยืดอายุการใช้งานของชิ้นส่วนที่เกิดการเสียดสี และสามารถตอบสนองความต้องการด้านวัสดุที่ทนต่ออุณหภูมิสูงและสึกหรอสูง รวมถึงคุณสมบัติอเนกประสงค์ต่างๆ ได้ ปัจจุบัน วัสดุเซรามิกทางวิศวกรรมถูกนำมาใช้ในการผลิตชิ้นส่วนทนความร้อนของเครื่องยนต์ ชิ้นส่วนที่สึกหรอในระบบส่งกำลัง ชิ้นส่วนที่ทนต่อการกัดกร่อนในอุปกรณ์เคมี และชิ้นส่วนซีล ซึ่งแสดงให้เห็นถึงโอกาสในการใช้งานที่กว้างขวางมากขึ้นของวัสดุเซรามิก

ประเทศพัฒนาแล้ว เช่น เยอรมนี ญี่ปุ่น สหรัฐอเมริกา สหราชอาณาจักร และประเทศอื่นๆ ให้ความสำคัญอย่างยิ่งต่อการพัฒนาและการประยุกต์ใช้วัสดุเซรามิกทางวิศวกรรม โดยลงทุนเงินและกำลังคนจำนวนมากเพื่อพัฒนาทฤษฎีและเทคโนโลยีการแปรรูปเซรามิกทางวิศวกรรม เยอรมนีได้เปิดตัวโครงการชื่อ “SFB442” ซึ่งมีวัตถุประสงค์เพื่อใช้เทคโนโลยี PVD ในการสังเคราะห์ฟิล์มที่เหมาะสมบนพื้นผิวของชิ้นส่วนเพื่อทดแทนสารหล่อลื่นที่เป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อมและร่างกายมนุษย์ บริษัท PW Gold และบริษัทอื่นๆ ในเยอรมนีได้รับเงินทุนจาก SFB442 เพื่อประยุกต์ใช้เทคโนโลยี PVD ในการเคลือบฟิล์มบางๆ บนพื้นผิวของตลับลูกปืน และพบว่าประสิทธิภาพการต้านทานการสึกหรอของตลับลูกปืนดีขึ้นอย่างเห็นได้ชัด และฟิล์มที่เคลือบบนพื้นผิวสามารถทดแทนสารเติมแต่งต้านทานการสึกหรอที่มีแรงดันสูงได้อย่างสมบูรณ์ Joachim, Franz และคณะในเยอรมนีใช้เทคโนโลยี PVD ในการเตรียมฟิล์ม WC/C ซึ่งแสดงคุณสมบัติการต้านทานความล้าที่ดีเยี่ยม สูงกว่าสารหล่อลื่นที่มีสารเติมแต่ง EP ซึ่งเป็นผลลัพธ์ที่แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ในการทดแทนสารเติมแต่งที่เป็นอันตรายด้วยสารเคลือบ E. Lugscheider และคณะจากสถาบันวิทยาศาสตร์วัสดุ มหาวิทยาลัยเทคนิคอาเคิน ประเทศเยอรมนี ได้รับเงินทุนจาก DFG (คณะกรรมการวิจัยแห่งเยอรมนี) และแสดงให้เห็นถึงการเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญของความต้านทานต่อความล้าหลังจากเคลือบฟิล์มที่เหมาะสมลงบนพื้นผิว เหล็กกล้า 100Cr6 ที่ใช้เทคโนโลยี PVD นอกจากนี้ บริษัท General Motors ของสหรัฐอเมริกาได้เริ่มใช้ฟิล์มเคลือบผิวเกียร์ในรถยนต์ Volvo S80 Turbo เพื่อเพิ่มความต้านทานต่อการสึกหรอจากความล้า บริษัท Timken ที่มีชื่อเสียงได้เปิดตัวฟิล์มเคลือบผิวเกียร์ชื่อ ES200 เครื่องหมายการค้าจดทะเบียน MAXIT สำหรับการเคลือบเกียร์ได้ปรากฏขึ้นในเยอรมนี และเครื่องหมายการค้าจดทะเบียน Graphit-iC และ Dymon-iC ตามลำดับ การเคลือบเกียร์ที่มีเครื่องหมายการค้าจดทะเบียน Graphit-iC และ Dymon-iC ก็มีจำหน่ายในสหราชอาณาจักรเช่นกัน

เฟืองเป็นชิ้นส่วนอะไหล่ที่สำคัญในระบบส่งกำลังเชิงกล และมีบทบาทสำคัญในอุตสาหกรรม ดังนั้นการศึกษาการประยุกต์ใช้วัสดุเซรามิกกับเฟืองจึงมีความสำคัญในทางปฏิบัติอย่างยิ่ง ปัจจุบัน เซรามิกทางวิศวกรรมที่ใช้กับเฟืองส่วนใหญ่มีดังต่อไปนี้

1. ชั้นเคลือบ TiN
1、TiN

การเคลือบไอออนด้วยเซรามิก TiN เป็นหนึ่งในสารเคลือบผิวที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด เนื่องจากมีความแข็งสูง แรงยึดเกาะสูง ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานต่ำ และทนทานต่อการกัดกร่อนได้ดี จึงมีการใช้งานอย่างกว้างขวางในหลากหลายสาขา โดยเฉพาะอย่างยิ่งในอุตสาหกรรมเครื่องมือและแม่พิมพ์ สาเหตุหลักที่จำกัดการใช้งานการเคลือบเซรามิกบนเฟืองคือปัญหาการยึดเกาะระหว่างสารเคลือบเซรามิกกับพื้นผิว เนื่องจากสภาพการทำงานและปัจจัยที่มีผลต่อเฟืองมีความซับซ้อนมากกว่าเครื่องมือและแม่พิมพ์มาก การใช้งานการเคลือบ TiN เพียงอย่างเดียวในการปรับปรุงพื้นผิวเฟืองจึงถูกจำกัดอย่างมาก แม้ว่าการเคลือบเซรามิกจะมีข้อดีคือความแข็งสูง ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานต่ำ และทนทานต่อการกัดกร่อน แต่ก็เปราะและยากที่จะได้การเคลือบที่หนา ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้พื้นผิวที่มีความแข็งและความแข็งแรงสูงเพื่อรองรับการเคลือบให้แสดงคุณสมบัติได้อย่างเต็มที่ ด้วยเหตุนี้ การเคลือบเซรามิกจึงมักใช้กับพื้นผิวคาร์ไบด์และเหล็กความเร็วสูงเป็นส่วนใหญ่ วัสดุที่ใช้ทำเฟืองนั้นอ่อนกว่าวัสดุเซรามิก และความแตกต่างระหว่างลักษณะของวัสดุพื้นฐานและสารเคลือบนั้นมีมาก ทำให้การยึดเกาะระหว่างสารเคลือบและวัสดุพื้นฐานไม่ดี และสารเคลือบไม่สามารถรองรับการยึดเกาะได้อย่างเพียงพอ ทำให้สารเคลือบหลุดลอกได้ง่ายในระหว่างการใช้งาน ไม่เพียงแต่จะไม่สามารถแสดงข้อดีของสารเคลือบเซรามิกได้เท่านั้น แต่เศษอนุภาคของสารเคลือบเซรามิกที่หลุดลอกออกมาจะทำให้เกิดการสึกหรอแบบเสียดสีบนเฟือง ทำให้การสึกหรอของเฟืองเร็วขึ้น วิธีแก้ปัญหาในปัจจุบันคือการใช้เทคโนโลยีการปรับสภาพพื้นผิวแบบผสมเพื่อปรับปรุงการยึดเกาะระหว่างเซรามิกและวัสดุพื้นฐาน เทคโนโลยีการปรับสภาพพื้นผิวแบบผสมหมายถึงการผสมผสานระหว่างการเคลือบด้วยการตกตะกอนไอระเหยทางกายภาพ (PVD) และกระบวนการปรับสภาพพื้นผิวหรือการเคลือบอื่นๆ โดยใช้พื้นผิว/พื้นผิวย่อยสองแบบที่แยกจากกันเพื่อปรับเปลี่ยนพื้นผิวของวัสดุพื้นฐานเพื่อให้ได้คุณสมบัติทางกลแบบผสมที่ไม่สามารถทำได้ด้วยกระบวนการปรับสภาพพื้นผิวเพียงอย่างเดียว การเคลือบแบบผสม TiN ที่ตกตะกอนโดยการไนไตรดิ้งด้วยไอออนและ PVD เป็นหนึ่งในการเคลือบแบบผสมที่ได้รับการวิจัยมากที่สุด วัสดุพื้นฐานที่ผ่านการไนไตรดิ้งด้วยพลาสมาและการเคลือบแบบผสมเซรามิก TiN มีการยึดเกาะที่แข็งแรงและความต้านทานการสึกหรอดีขึ้นอย่างเห็นได้ชัด

ความหนาที่เหมาะสมของชั้นฟิล์ม TiN ที่ให้ความต้านทานการสึกหรอและการยึดเกาะฐานฟิล์มที่ดีเยี่ยมคือประมาณ 3-4 ไมโครเมตร หากความหนาของชั้นฟิล์มน้อยกว่า 2 ไมโครเมตร ความต้านทานการสึกหรอจะไม่ดีขึ้นอย่างเห็นได้ชัด หากความหนาของชั้นฟิล์มมากกว่า 5 ไมโครเมตร การยึดเกาะฐานฟิล์มจะลดลง

2. การเคลือบ TiN แบบหลายชั้นและหลายองค์ประกอบ

ด้วยการใช้งานสารเคลือบ TiN ที่ค่อยเป็นค่อยไปและแพร่หลายมากขึ้น ทำให้มีการวิจัยเกี่ยวกับการปรับปรุงและเพิ่มประสิทธิภาพของสารเคลือบ TiN มากขึ้นเรื่อยๆ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีการพัฒนาสารเคลือบหลายองค์ประกอบและสารเคลือบหลายชั้นโดยอิงจากสารเคลือบ TiN แบบไบนารี เช่น Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3 เป็นต้น การเติมธาตุต่างๆ เช่น Al และ Si ลงในสารเคลือบ TiN สามารถปรับปรุงความต้านทานต่อการออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูงและความแข็งของสารเคลือบได้ ในขณะที่การเติมธาตุต่างๆ เช่น B สามารถปรับปรุงความแข็งและความแข็งแรงในการยึดเกาะของสารเคลือบได้

เนื่องจากความซับซ้อนขององค์ประกอบหลายส่วน ทำให้เกิดข้อถกเถียงมากมายในการศึกษานี้ ในการศึกษาเกี่ยวกับสารเคลือบหลายองค์ประกอบ (Tix,Cr1-x)N พบว่าผลการวิจัยมีข้อถกเถียงอย่างมาก บางคนเชื่อว่าสารเคลือบ (Tix,Cr1-x)N นั้นมีพื้นฐานมาจาก TiN และ Cr สามารถอยู่ในรูปของสารละลายของแข็งที่เข้ามาแทนที่ในเมทริกซ์จุดของ TiN เท่านั้น ไม่ใช่ในรูปของเฟส CrN ที่แยกต่างหาก ขณะที่การศึกษาอื่นๆ แสดงให้เห็นว่าจำนวนอะตอมของ Cr ที่เข้ามาแทนที่อะตอมของ Ti โดยตรงในสารเคลือบ (Tix,Cr1-x)N นั้นมีจำกัด และ Cr ที่เหลืออยู่จะอยู่ในสถานะซิงเกล็ตหรือเกิดเป็นสารประกอบกับ N ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าการเติม Cr ลงในสารเคลือบจะช่วยลดขนาดอนุภาคบนพื้นผิวและเพิ่มความแข็ง โดยความแข็งของสารเคลือบจะสูงสุดเมื่อเปอร์เซ็นต์มวลของ Cr ถึง 31% แต่ความเค้นภายในของสารเคลือบก็ถึงค่าสูงสุดเช่นกัน

3. ชั้นเคลือบอื่นๆ

นอกเหนือจากสารเคลือบ TiN ที่ใช้กันทั่วไปแล้ว ยังมีการใช้เซรามิกทางวิศวกรรมหลากหลายชนิดเพื่อเสริมความแข็งแรงให้กับพื้นผิวของเฟืองอีกด้วย

(1) Y. Terauchi และคณะจากประเทศญี่ปุ่นได้ศึกษาความต้านทานต่อการสึกหรอจากการเสียดสีของเฟืองเซรามิกไทเทเนียมคาร์ไบด์หรือไทเทเนียมไนไตรด์ที่เคลือบด้วยวิธีการสะสมไอ เฟืองได้รับการคาร์บอนไนซ์และขัดเงาเพื่อให้ได้ความแข็งผิวประมาณ HV720 และความหยาบผิว 2.4 μm ก่อนการเคลือบ และการเคลือบเซรามิกเตรียมโดยวิธีการสะสมไอทางเคมี (CVD) สำหรับไทเทเนียมคาร์ไบด์ และโดยวิธีการสะสมไอทางกายภาพ (PVD) สำหรับไทเทเนียมไนไตรด์ โดยมีความหนาของฟิล์มเซรามิกประมาณ 2 μm คุณสมบัติการสึกหรอจากการเสียดสีได้รับการตรวจสอบในสภาวะที่มีน้ำมันและแรงเสียดทานแห้งตามลำดับ พบว่าความต้านทานต่อการสึกหรอและการขีดข่วนของเฟืองได้รับการปรับปรุงอย่างมากหลังจากเคลือบด้วยเซรามิก

(2) การเคลือบแบบคอมโพสิตของ Ni-P และ TiN ที่เคลือบด้วยสารเคมีนั้นเตรียมโดยการเคลือบ Ni-P เป็นชั้นเปลี่ยนผ่านก่อนแล้วจึงเคลือบ TiN ทับลงไป การศึกษาแสดงให้เห็นว่าความแข็งของพื้นผิวของการเคลือบแบบคอมโพสิตนี้ได้รับการปรับปรุงในระดับหนึ่ง และการเคลือบมีการยึดเกาะกับพื้นผิวได้ดีขึ้นและมีความต้านทานการสึกหรอที่ดีขึ้น

(3) ฟิล์มบาง WC/C, B4C
M. Murakawa และคณะ จากภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล สถาบันเทคโนโลยีแห่งประเทศญี่ปุ่น ได้ใช้เทคโนโลยี PVD ในการเคลือบฟิล์มบาง WC/C บนพื้นผิวของเฟือง และพบว่าอายุการใช้งานยาวนานกว่าเฟืองที่ผ่านการอบชุบและเจียรแบบธรรมดาถึงสามเท่า ภายใต้สภาวะการหล่อลื่นแบบปราศจากน้ำมัน Franz J และคณะ ได้ใช้เทคโนโลยี PVD ในการเคลือบฟิล์มบาง WC/C และ B4C บนพื้นผิวของเฟือง FEZ-A และ FEZ-C และจากการทดลองพบว่า การเคลือบ PVD ช่วยลดแรงเสียดทานของเฟืองได้อย่างมีนัยสำคัญ ทำให้เฟืองมีความทนทานต่อการติดกาวร้อนหรือกาวชนิดอื่น และเพิ่มความสามารถในการรับน้ำหนักของเฟืองได้

(4) ฟิล์ม CrN
ฟิล์ม CrN มีลักษณะคล้ายกับฟิล์ม TiN ตรงที่มีความแข็งสูงกว่า และฟิล์ม CrN ทนต่อการออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูงได้ดีกว่า TiN มีความต้านทานการกัดกร่อนที่ดีกว่า มีความเครียดภายในต่ำกว่าฟิล์ม TiN และมีความเหนียวที่ดีกว่า Chen Ling และคณะได้เตรียมฟิล์มคอมโพสิต TiAlCrN/CrN ที่ทนต่อการสึกหรอโดยมีการยึดเกาะแบบฟิล์มที่ดีเยี่ยมบนพื้นผิวของ HSS และยังได้เสนอทฤษฎีการเรียงซ้อนของดิสโลเคชันในฟิล์มหลายชั้น โดยระบุว่าหากความแตกต่างของพลังงานดิสโลเคชันระหว่างสองชั้นมีมาก ดิสโลเคชันที่เกิดขึ้นในชั้นหนึ่งจะยากที่จะข้ามส่วนต่อประสานไปยังอีกชั้นหนึ่ง ดังนั้นจึงเกิดการเรียงซ้อนของดิสโลเคชันที่ส่วนต่อประสานและมีบทบาทในการเสริมความแข็งแรงของวัสดุ จงปินและคณะได้ศึกษาผลของปริมาณไนโตรเจนต่อโครงสร้างเฟสและคุณสมบัติการสึกหรอจากการเสียดสีของฟิล์ม CrNx โดยการศึกษาพบว่าพีคการเลี้ยวเบน Cr2N (211) ในฟิล์มค่อยๆ อ่อนลง และพีค CrN (220) ค่อยๆ เพิ่มขึ้นเมื่อปริมาณ N2 เพิ่มขึ้น อนุภาคขนาดใหญ่บนพื้นผิวฟิล์มค่อยๆ ลดลง และพื้นผิวมีแนวโน้มที่จะเรียบขึ้น เมื่ออัตราการเติม N2 อยู่ที่ 25 มล./นาที (กระแสอาร์คของแหล่งกำเนิดเป้าหมายอยู่ที่ 75 A) ฟิล์ม CrN ที่ตกตะกอนจะมีคุณภาพพื้นผิวที่ดี ความแข็งที่ดี และความต้านทานการสึกหรอที่ยอดเยี่ยม

(5) ฟิล์มแข็งพิเศษ
ฟิล์มแข็งพิเศษ (Superhard film) คือฟิล์มแข็งที่มีความแข็งมากกว่า 40 GPa มีคุณสมบัติทนต่อการสึกหรอดีเยี่ยม ทนต่ออุณหภูมิสูง มีค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานต่ำ และค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำ โดยส่วนใหญ่เป็นฟิล์มเพชรอะมอร์ฟัส (amorphous diamond film) และฟิล์ม CN ฟิล์มเพชรอะมอร์ฟัสมีคุณสมบัติเป็นอะมอร์ฟัส ไม่มีโครงสร้างที่เป็นระเบียบในระยะยาว และประกอบด้วยพันธะเตตระเฮดรัล CC จำนวนมาก จึงเรียกอีกอย่างว่าฟิล์มคาร์บอนอะมอร์ฟัสแบบเตตระเฮดรัล (tetrahedral amorphous carbon films) ฟิล์มเคลือบคล้ายเพชร (DLC) ซึ่งเป็นฟิล์มคาร์บอนอะมอร์ฟัสชนิดหนึ่ง มีคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมหลายอย่างคล้ายกับเพชร เช่น การนำความร้อนสูง ความแข็งสูง โมดูลัสยืดหยุ่นสูง ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำ เสถียรภาพทางเคมีที่ดี ทนต่อการสึกหรอดี และค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานต่ำ มีการแสดงให้เห็นว่าการเคลือบฟิล์มคล้ายเพชรบนพื้นผิวเฟืองสามารถยืดอายุการใช้งานได้ถึง 6 เท่า และช่วยเพิ่มความต้านทานต่อความล้าได้อย่างมีนัยสำคัญ ฟิล์ม CN หรือที่รู้จักกันในชื่อฟิล์มคาร์บอน-ไนโตรเจนอะมอร์ฟัส มีโครงสร้างผลึกคล้ายกับสารประกอบโคเวเลนต์ β-Si3N4 และเรียกอีกอย่างว่า β-C3N4 Liu และ Cohen และคณะ ได้ทำการคำนวณทางทฤษฎีอย่างเข้มงวดโดยใช้การคำนวณแถบศักย์เสมือนจากหลักการพื้นฐาน ยืนยันว่า β-C3N4 มีพลังงานยึดเหนี่ยวสูง โครงสร้างเชิงกลที่เสถียร อย่างน้อยหนึ่งสถานะย่อยที่เสถียรสามารถดำรงอยู่ได้ และโมดูลัสความยืดหยุ่นเทียบได้กับเพชร พร้อมคุณสมบัติที่ดี ซึ่งสามารถปรับปรุงความแข็งผิวและความต้านทานการสึกหรอของวัสดุได้อย่างมีประสิทธิภาพ และลดสัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน

(6) ชั้นเคลือบป้องกันการสึกหรอของโลหะผสมอื่นๆ
มีการทดลองนำสารเคลือบโลหะผสมที่ทนต่อการสึกหรอมาใช้กับเฟืองด้วยเช่นกัน ตัวอย่างเช่น การเคลือบชั้นโลหะผสม Ni-P-Co บนพื้นผิวฟันของเฟืองเหล็ก 45# เป็นชั้นโลหะผสมที่ช่วยให้ได้โครงสร้างเกรนละเอียดมาก ซึ่งสามารถยืดอายุการใช้งานได้ถึง 1.144~1.533 เท่า นอกจากนี้ยังมีการศึกษาการใช้ชั้นโลหะ Cu และการเคลือบโลหะผสม Ni-W บนพื้นผิวฟันของเฟืองเหล็กหล่อโลหะผสม Cu-Cr-P เพื่อเพิ่มความแข็งแรง และการเคลือบโลหะผสม Ni-W และ Ni-Co บนพื้นผิวฟันของเฟืองเหล็กหล่อ HT250 ช่วยเพิ่มความทนทานต่อการสึกหรอได้ 4-6 เท่า เมื่อเทียบกับเฟืองที่ไม่เคลือบ