表面织构对摩擦磨损关键性能改善的评估外文翻译资料

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表面织构对摩擦磨损关键性能改善的评估

摘要：在过去几十年里，表面纹理控制摩擦和磨损一直是众多研究的重点。尽管有这样的兴趣，根据不同的接触和润滑条件了解表面纹理效应产生的根本原因，仍然是一个持续争议的主题。虽然在特定的情况下在精确的表面纹理制造和模型的影响已经取得了一定的进展。在一定的接触条件下，表面纹理的有效性仍然存在许多矛盾的报告。因此，该评论提出了一个批判性的评估，是这个迅速发展的研究领域的共同认识。首先，在Stribeck曲线操作润滑条件下，有明确区分适形和非适形的接触产生的影响将会被讨论。最后，各种制造方法的优缺点将被描述，给出了一个关于润滑措施的总结，制造方法相对于其典型的特征尺寸、成本和适用材料。特别注意在不同的摩擦制度下，减少磨损摩擦机制对它们的影响。

关键词：表面纹理、摩擦、磨损

1.介绍

来自古代的证据显示了发明人如何利用表面纹理来改变摩擦力和牵引力。例如，在中国的唐代，脊图案或凹处放在劳动者的鞋底来帮助他们在泥泞、湿滑的地面工作。在现代，在汽车轮胎配备了复杂的表面纹理以控制摩擦力以便于各种道路条件下的安全驾驶。然而，对于工程表面，传统的重点一直是使表面更各向同性比较均匀，以方便组件组装。

先进的制造技术和表面纹理越来越多地被用来作为一种工程工具以提高在特定的应用的性能。他们提供更高的精度，易于使用，降低处理成本。

一旦表面纹理被认为是一个可以提高系统的性能的工程机会，它打开了创新的窗口。可制成具有方向性，优先流路径，量身定做的接触实际面积的例子比比皆是，首选的流体流动路径，量身定制的实际接触区和控制流速影响快速传热例如传输扭矩板。虽然这些新的纹理表面被成功地应用在特定的应用程序并产生了良好的结果，但是基本理论和机制落后了。

摩擦学应用在摩擦磨损中是主要的重点，从传统的各向同性表面的传统概念的变化慢慢演变为工程的平台到传授具体的特点表面纹理常常增加表面粗糙度，因此增加了摩擦和磨损。第一个广泛使用的表面纹理发生在20世纪40年代柴油发动机活塞环衬垫接口以防止在热发动机运行条件紊乱。在高负荷、高温、高速条件下，严重划伤发生是由于润滑不足，最终导致紊乱和失败。为了解决这个问题，活塞衬垫制作成交叉线槽，以提供原位润滑剂容量以防止紊乱（交叉舱口角度范围从60°到70°水平交叉角度）。现代柴油机倾向于使用较小的角度从40°到50°。

从20世纪50年代末到20世纪60年代初，金属的工作过程中经常出现粘附和撕裂损伤，如金属的热轧、挤压、成形和冲压操作。在这些情况下，通道的纹理、圆形凹坑被用来控制粘附磨损。这种情况下迎来使用表面纹理的概念（如线或凹处）作为解决的技术挑战，各向同性表面未能完成的工程工具，主要开始于二十世纪九十年代。然而，表面纹理导致在额外过程的花费而且他们必须得到合理的收益。

图1低压形Stribeck曲线- （一）高压非共形接触

在上世纪90年代末，激光表面纹理（LST）演变为一个强大的工具，用于磁存储设备和机械密封（相对高负荷和低转速下共形接触）。例如，激光纹理已经朝着使用更短的脉冲方向发展，今天第二激光被广泛使用，从而增加了处理材料的灵活性，从金属到陶瓷和眼镜。LST基本限制之一是产生包括各种形状和尺寸的复杂的表面纹理的困难性。为了实现这一目标，直接激光干涉图案（德利潽）技术的开发，采用多光束干涉在一个单步创建复杂的表面纹理。另一方面，许多技术已经开发而且在决定时需要考虑如果表面纹理的应用是具有一定成本效益的。

从2000年初开始，世界各地的纳米技术举措的出现，进一步加快了制造技术和纳米级成像到前所未有的水平。通过光刻方法和双白光干涉表面分析工具的发展降低成本和提高表面形貌精度，进一步增强预测制造过程的结果的能力，从而导致关于表面的一个时代的设计。

纳米技术和表面纹理相结合的一个值得注意的例子是磁性硬盘行业。在该行业无情的进军超高密度存储领域，该行业开发超高精度表面沉积技术的纳米薄膜和纳米级表面形貌使单层润滑。定向排列的粗糙度被引入到制造过程和离散的凹处生产控制粘附。

总之，已经有好几个成功的应用：如表面材质机械密封的激光烧蚀表面纹理增强机器元件的使用寿命，减少接触体之间的摩擦；金属成形过程中的良好定义的表面形貌影响的粘附和扩散；磁硬“阔边帽状”的表面纹理处理接触面积和减少在磁头/磁盘界面摩擦盘。这些成功的应用已经证明，纹理可以在特定情况下有效，以提高性能或解决具体问题。

然而，大量的研究已经完成，研究表面纹理对摩擦、磨损和耐久性有影响。尽管在处理技术，表征工具和计算算法在最近几年有显著改善，纹理功能的基本了解仍然缺乏。如：1）纹理如何作用？2）他们的工作涉及哪些机制？3）如果他们不工作，涉及哪些机制？4）流体动力学与纹理间距的相互作用是什么？5）是否有纹理设计为预期的应用程序设置指导方针？此外，必须定义“成功”。成功意味着有一个标准获得一定程度的成本效益比或表面纹理的解决方案是唯一可行的选择。在没有这些问题的答案，出现一个必然的结论，目前地面工程地区由于其创造性的混乱和相互矛盾的报告仍然处于摸索阶段。

最近发表一些有趣的评论文章发表有力地报告了表面纹理对流体动力润滑轴承、平行推力轴承、机械密封、活塞环的影响。此外，Ibatan等人总结了一个关于纹理效果不同润滑状态对轴承滑块的影响，最后Patel等人提出了一个全面的审查文章，重点放在不同的制造方法产生的纹理上。

首先，第2节解决了表面润滑条件下的摩擦学行为的明显的润滑状态为表格中共形和非共形接触的Stribeck曲线。在低压和高压状况下，流体弹流润滑膜覆盖和全混合润滑、边界润滑状态，甚至 “固体润滑剂或保护涂层干”机制。特别强调的是放在共形和非共形接触之间的区别，大多数关于表面纹理的效率冲突的论文出现非共形接触这是典型的滚动轴承和齿轮遇到的情况。

2. 表面织构的影响

2.1在低压的全膜（全面接触）和高压（非共性接触）

在流经会聚楔的润滑剂的存在下，两个表面彼此相对运动，可以在它们之间形成流体动力学流体膜。一个完整的膜得到的流体膜的厚度是足够大的可以完全分离两个接触表面。这全膜制既可以是低压的接触中获得，如在共形接触是常见的；也可以在高压接触获得，在非共形接触中更加常见。全膜润滑（HD）则发生在低压触点，全膜弹流润滑（EHL）发生在高压触点。表面纹理共形和非共形接触的影响是非常不同的，他们将被分别描述。

2.1.1.低压全膜润滑（HD）

为了了解在两个滑动表面之间的流体动力压力增加的微纹理可能产生的影响，检查由于楔的存在条件下发生的流体动力学效应是非常必要的。用雷诺兹方程描述了轴承润滑油压力的变化，该方程可应用于滑动轴承，通过轴承的长度来模拟收敛间隙空间的流体动力作用。它由允许的压力分布和负载能力来确定。

对于纹理表面，凹处可以被视为微收敛的楔子，使多个凹处可以作为一组微型轴承，如图2.2所示。从图中所见，除了收敛楔在后缘的容器里，也有分歧的楔子这是显而易见的。虽然压力增加在收敛区域，减少在发散区。因此，在纹理的存在下它是唯一可能有一个正的净增加，如果在后缘的压力的增加是高于在凹处的背面边缘，由于气蚀的发生的压力下降，这可能是真实的。在每个凹处形成的空化泡防止局部负压峰的出现，将减少的压力增加在收敛的微楔形处。

第一个证据表面微地形水动力压力被发现在20世纪60年代。非连续润滑薄膜在光学平面的视觉监控和透明密封反映被气蚀所打破，这似乎与表面不规则性一致。一个简单的分析模型来预测微不规则的流体动力润滑密封端面载荷支持几何效应，基于二维雷诺兹方程的形式，优化负荷承载的数量作为一些粗糙的功能，凹凸半径团队最后粗糙区。使用更复杂的数学模型，Etsion团队分析了非接触式机械密封的性能，发现20%的覆盖面积是最佳值。这项工作后来扩展到包括一些实验测试的激光纹理机械密封和被发现间隙之间测量的测试且由数学模型计算。

图2.由多个微轴承构成的纹理表面

一个简单的分析模型，在光学平面和透明密封显示薄膜的空化带中断非连续润滑薄膜监控，这似乎与表面的不规则性吻合

这些作品发现表面纹理的使用增加负载支撑和减少在其他流体动力接触时的摩擦，特别是使用分析和数值模型适应流力学。我们将首先选定一些记录表面纹理的工程成功使用，这将是随后的工程报告可以忽略不计或不利影响的表面纹理下全膜流体动力润滑的情况。

2.1.1.1成功案例

重要的工作对于表面纹理的成功运用是由Etsion团队进行有力地表面纹理的介绍的工业实践。他们开发的模型来分析激光毛化在活塞环和气缸之间的摩擦影响，用一个二维用无量纲参数适合的条件下雷诺兹方程的形式。他们显示了一个小的面积覆盖的平均摩擦力的影响：覆盖范围从5到20%，摩擦力变化小于7%。最适合的深度/直径的容器的值是约0.12至0.14，这取决于凹处的数目（见图3）。增加的凹处的数量的结果导致在表面纹理的摩擦力降低的效果。

这个模型还被开发用来分析几何形状的统计变化如何影响流体动力膜厚度和使用相同凹处的模型相比。结果表明，没有显着的效果，这表明凹处不需要完全相同的。

应用遗传算法被应用于搜索/优化的形状，尺寸和分布的凹处和操作参数在摩擦减少和增加承载能力方面的影响。在矩形与三角形凹处相比时发现形状的强大影响。此外，最佳的纹理参数（凹处的高度，区域覆盖和容器的数目）的值强烈依赖于操作参数。

图3.2D模拟的无量纲平均摩擦力与深度/直径比为不同数量的凹处（NP）在允许情况下

不同的数值实现（有限体积、有限元和谱元离散）来解决二维雷诺兹方程的纹理流体动力学轴承进行了比较。计算流体动力学（CFD）已被用来分析的效果的表面纹理对于比较高雷诺兹数。流量因素的引入允许纹理表面的参数研究。

最近，在模型中强调惯性效应的重要性，分析摩擦和/或承载能力的纹理表面。质量守恒算法的使用对于微孔薄膜是足够的，自从汽蚀的发生是应该有不对称压力的分布而不是单个独立凹处导致纹理表面的净负荷支持。因此，在实现的效益时质量守恒算法可以提供更真实的见解对于动压滑动轴承。

在水动力条件下以质量守恒算法应用在一个缸套环线性系统中，摩擦减少到了73%，膜的厚度增加到了数值的86%时发现形环。约30%的区域覆盖的最佳值被发现为低收敛平面倾斜轴承，因为更高的值，在空化发展的轴承入口，防止在这方面的流体动力效应。另一方面，对于100%的覆盖面积气穴不会产生，从而获得最佳的性能。这已经被建议。然而，在这种情况下，纹理的概念是值得怀疑的，因为实际上它对应于一个大凹处。最佳深度的凹处取决于轴承的收敛，从约40%变化至80%的最小膜厚度。

实验工作也显示了流体动力润滑下的表面纹理的优点。在Etsion团队，激光加工表面进行了测试验证往复式汽车零部件的磨损性能，在加工参数的选择是基于以前的模拟数据找到最佳值。在粗糙的表面摩擦的操作参数的影响，如负载和速度，同时被测定。

水润滑下磁盘上的的圆筒试验，对于SiC样品分析不同激光纹理的效果不同的润滑制度的影响。当摩擦系数急剧增加时摩擦过渡载荷被定义，表明水动力和混合润滑之间的转换。性能图被绘制成面积覆盖率和速度的函数。发现面积覆盖率的最佳值是2.8%，7%的值最大，纹理表面低于非纹理的表面的临界载荷，这是由于负载支持区的减少。后来，作者同样研究了包含不同直径、深度和覆盖面凹处的模式。润滑剂（水）供应充足，最佳覆盖率为5%左右，并发现最佳的深度/宽度比为0.015。对于有限的水供应，更好的行为发生在更高的覆盖面和深度/宽度比。由于水的存在下的摩擦化学反应，导致低摩擦膜形成的发生是必要的，较大的凹处，可以储存更多的水，有利于化学反应等。

虽然用线接触，Costa和Hutchings采用低负荷和非常大的半径的气缸推动低接触压力,因此对表面纹理在流体动力润滑产生影响。与光滑表面相比，他们发现织构表面的膜厚度略有增加。与阵列的凹处相比类似于雪佛龙的功能导致较厚的膜（见图4）。

图4.在不同的正载荷和纹理模式的润滑往复试验期间中冲程（HO）的最小膜厚在允许情况下

激光纹理陶瓷的润滑滑动行为使用块环测试进行评估。膜厚度随面积的增加而增加，但不被凹处的形状或深度所影响。当与光滑的表面相比时，摩擦系数略低于纹理表面。

最近，一个由菲永集团的仪表对纹理和无纹理动压推力轴承和大量的传感器进行了重要的实验（80热电偶和压力传感器），从而影响表面纹理对温度分布和摩擦力矩。以前的数值模拟研究，用质量守恒算法选择纹理模式测试。结果表明，摩擦的减少是由于表面纹理低至30%的负载下，但在高负荷下，好处便消失了。

2.1.1.2.未成功案例

尽管在文献中的大量的作品报道表面纹理低压全膜润滑的成功使用，表面纹理不成功的使用也有相同数量的报道。

质量守恒算法的使用表明，对于平行滑动轴承，因为空化存在于现在所有的凹处中表面变形不利于产生升力。然而，如果凹处位于入口，即使升力发生，也非常小。作者声称，在其他作品中发现的类似条件的表面纹理的积极影响是由于在这些研究中使用的气蚀算法不准确，不保证质量守恒。比较部分纹理与完整纹理，部分纹理产生的升力远远大于完整纹理（见图5）。据认为，这是因为轴承的纹理和无纹理的部分像一步轴承，如图6所。对于平面斜轴承，全织结构对升力的影响总是消极的，但轴承进口的部分纹理可以提供一个小的贡献，以提高升力，但这种效果取决于轴承收敛性。

图5.使用平行滑块的质量守恒算法获得的膜厚和压力值：（a）充分织构；（b）入口部分纹理

低接触压力下的线接触润滑的钢表面往复滑动试验没有显示表面纹理使用不同的纹理图案对粗糙表面摩擦的积极影响，和相同的是真实的销盘试验（单向滑动

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